Rechnerarchitektur (eBook)

Vorwort 5
Teil 1: Grundlagen 15
1 Einleitung 17
1.1 Grundbegriffe 17
1.2 Einheiten 19
1.3 Geschichte 20
1.4 Arten von Computern 22
2 Allgemeiner Aufbau eines Computersystems 29
2.1 Blockdiagramm und grundlegende Abläufe 29
2.2 Detaillierteres Computermodell 32
2.3 Speicher und E/A-Bausteine 33
2.4 Prozessor und Busse 36
2.5 Taxonomien 38
3 Performance und Performanceverbesserung 41
3.1 Angabe der Rechenleistung 41
3.2 Caching 44
3.2.1 Caching beim Lesen von Daten 44
3.2.2 Caching beim Schreiben von Daten 46
3.2.3 Cacheable Area 48
3.2.4 Cache-Hierarchien 48
3.3 Pipelining 51
4 Verbreitete Rechnerarchitekturen 57
4.1 CISC-Architektur 57
4.2 RISC-Architektur 58
4.3 VON-NEUMANN-Architektur 62
4.4 Harvard-Architektur 65
Teil 2: Digitaltechnik 69
5 Grundlegende BOOLEsche Verknüpfungen 71
5.1 BOOLEsche Algebra und Digitaltechnik 71
5.2 Gatter 72
5.2.1 Treiber und Identität 72
5.2.2 Inverter und Negation 75
5.2.3 UND-Gatter und Konjunktion 76
5.2.4 NAND 78
5.2.5 ODER-Gatter und Disjunktion 79
5.2.6 NOR 81
5.2.7 XOR und Antivalenz 82
5.2.8 XNOR und Äquivalenz 83
5.3 Gesetze der BOOLEschen Algebra 84
6 Komplexere Schaltnetz-Komponenten 87
6.1 Adressdecoder 87
6.2 Multiplexer und Demultiplexer 89
6.2.1 Multiplexer 2:1 89
6.2.2 Demultiplexer 1:2 90
6.2.3 Multiplexer n:1 91
6.2.4 Demultiplexer 1:n 92
6.2.5 Multiplexer m × n:n 94
6.3 Varianten der Schaltzeichen 96
6.4 Digitaler Komparator 98
6.5 Addierer 99
6.6 ALU 99
7 Schaltwerke 101
7.1 RS-Flipflop 101
7.2 Arten von Eingängen 103
7.2.1 Vorrangige Eingänge 103
7.2.2 Taktzustandssteuerung 104
7.2.3 Taktflankensteuerung 105
7.2.4 Asynchrone Eingänge 106
7.3 D-Flipflop 106
7.4 Register und Schieberegister 107
7.5 T-Flipflop 109
7.6 JK-Flipflop 110
7.7 Zähler 111
Teil 3: Arithmetik 113
8 Zahlendarstellung 115
8.1 Vorzeichen-Betrags-Darstellung 116
8.2 Einerkomplement 119
8.3 Zweierkomplement 121
9 Arithmetische und logische Operationen 125
9.1 Arithmetische Operationen 125
9.2 Logische Operationen 126
9.3 Bitoperationen in C und C++ 132
10 Rechnen mit vorzeichenlosen Dualzahlen 133
10.1 Addition und Subtraktion 133
10.2 Multiplikation und Division 136
11 Rechnen in der Vorzeichen-Betragsdarstellung 143
11.1 Addition und Subtraktion 143
11.2 Multiplikation und Division 145
12 Rechnen im Zweierkomplement 147
12.1 Addition und Subtraktion 147
12.2 Multiplikation und Division 150
12.3 Fazit 150
13 Ganzzahl-Rechenwerk 153
13.1 Beispiel-Rechenwerk 154
13.2 Ergänzende Betrachtungen 157
13.3 Beispiel: Addition 161
13.4 Beispiel Multiplikation 164
14 Gleitkommarechenwerk 175
14.1 Darstellung von Gleitkommazahlen 176
14.2 Umwandlung von Dezimalbrüchen in Dualbrüche 179
14.3 Ein Beispiel-Gleitkommarechenwerk 182
14.3.1 Addition und Subtraktion 183
14.3.2 Multiplikation 185
14.3.3 Division 186
Teil 4: Prozessoren 189
15 Maschinensprache 191
16 Steuerwerk 197
17 Mikroprogrammierung 201
17.1 Konzept 201
17.2 Beispiel-Mikroprogrammsteuerung 202
17.3 Befehlssatzentwurf 209
17.4 Erweiterung der Mikroprogrammsteuerung 213
18 Spezielle Techniken und Abläufe im Prozessor 217
18.1 Befehlszyklus 217
18.2 Strategien bei Programmverzweigungen 219
18.3 Out of Order Execution 227
18.4 64-Bit-Erweiterungen 227
18.5 Sicherheitsfeatures 229
19 Multiprozessorsysteme 233
19.1 Ansätze zur Performancesteigerung 233
19.2 Aufwand für Parallelisierung 236
19.3 Topologien 237
19.4 Datenübertragung 239
19.5 Software für Multiprozessorsysteme 241
19.6 Speicherzugriff 242
19.7 Konsistenz 242
20 Digitale Signalprozessoren 247
20.1 Einsatzgebiete 247
20.2 Zeitabhängige Signale und Signalverarbeitungskette 248
20.3 Analoge Vorverarbeitung und A/D-Wandlung 249
20.4 Spektralanalyse 253
20.5 Operationen im Frequenzbereich 258
20.6 D/A-Wandlung und analoge Nachbearbeitung 260
20.7 Architektur-Besonderheiten von DSP 260
Teil 5: Speicher und Peripherie 263
21 Speicherbausteine 265
21.1 Arten von Speichermedien 265
21.2 Halbleiter-Speicher 266
21.3 Statisches und dynamisches RAM 267
21.4 Speicherorganisation auf Chipebene 268
21.5 Interfacing und Protokolle 274
21.6 Speichermodule 279
21.7 Flash Speicher 282
22 Speicherverwaltung 285
22.1 Programme und Prozesse 285
22.2 Virtueller Speicher 286
22.3 Segmentierung und Swapping 292
22.4 Paging 293
23 Datenübertragung und Schnittstellen 299
23.1 Leitungstheorie 299
23.2 Serielle und parallele Datenübertragung 301
23.3 Das OSI-Modell 303
23.4 Codierung 306
23.4.1 NRZ-Codierung 306
23.4.2 Manchester-Codierung 307
23.4.3 NRZI-Codierung 309
23.4.4 MLT3-Codierung 309
23.4.5 Bit Stuffing, 4B/5B- und 8B/10B-Codierung 310
23.5 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur 311
23.6 Beispiel USB 317
24 Festplatte 321
24.1 Aufbau 321
24.2 Datenorganisation 321
24.3 Partionierung und Formatierung 322
24.4 Serial-ATA-Schnittstelle 322
24.5 Performance 323
24.6 Verfügbarkeit 323
25 Optische Datenspeicher 327
25.1 Standards 327
25.2 Aufbau 328
25.3 Verfügbarkeit 329
25.4 Leseverfahren 330
25.5 Vermeidung, Erkennung und Korrektur von Fehlern 331
Zusammenfassung und Schlussworte 333
Literaturverzeichnis 335
Antworten zu den Aufgaben 337
Index 387