Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen: Eine Einführung in Rechnerarchitektur und Rechnerorganisation für das Grundstudium der Informatik

378 Pages·1992·15.726 MB·German

by  Wolfgang Coy (auth.)

Wolfgang Coy
Aufbau und
Arbeitsweise von
Rechenanlagen
eine Einführung in Rechnerarchitektur
und Rechnerorganisation für das
Grundstudium der Informatik
Second Edition
________ Programmiersprachen ___________
Programmieren mit Acta,
von H. Feldmann
Assemblerprogrammierung mit dem PC,
von J. Erdweg
Pascal,
von D. Cooper und M. Clancy
Technisch-naturwissenschaftlicher Pascal-Trainer,
von H. Kohler
Einführung in die Programmiersprache Acta,
von M. Nagl
Programmieren in PL/1,
von E. Sturm
FORTRAN-Trainer,
von H. Kohler
Einführung in die Programmiersprache BASIC,
von W.-D. Schwill und R. Weibezahn
Einführung in die Programmiersprache COBOL,
von W.-M. Kähler
PEARL, Process and Experiment Automation Realtime Language,
von W. Werum und H. Windauer
Einführung in das Datensystem SPSS und SPSSX,
von W.-M. Kähler
Prolog,
von R. Cordes, R. Kruse, H. Langendörfer, H. Rust
Die Wissensrepräsentationssprache OPS 5,
von R. Krickhahn und B. Radig
_____ Vieweg _________________ ______
Wolfgang Coy
Aufbau und
Arbeitsweise von
Rechenanlagen
Eine Einführung in
Rechnerarchitektur und Rechnerorganisation
für das Grundstudium der Infonnatik
2., verbesserte und erweiterte Auflage
I I
v1eweg
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Coy, Wolfgang:
Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen: eine Einführung
in Rechnerarchitektur und Rechnerorganisation ft.ir das
Grundstudium der Informatik I Wolfgang Coy.-2., verb. und
erw. Aufl.- Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1992
ISBN 978-3-528-14388-6 ISBN 978-3-322-89742-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-89742-8
Das in diesem Buch enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgend
einer Art verbunden. Der Autor und der Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und
werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der
Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht.
I. Auflage 1988
2., verbesserte und erweiterte Auflage 1992
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1992
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH,
Braunschweig I Wiesbaden 1992.
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede
Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne
Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für
Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche
rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Gedruckt auf säurefreiem Papier
V
Vorwort zur zweiten Auflage
·Wir haben eigentlich nur Ableger von Romanen und Komödien. Aus dem Samen
werden nur wenige gezogen.• Georg Christoph Lichtenbergs um 1790 getroffene
Beobachtung beschreibt Lehrbücher sicher noch treffender als Romane und
Komödien. Auch das vorliegende Lehrbuch kann sich einem solchen Urteil nur
schwer entziehen, greift es doch auf mehr als ein Jahrzehnt Lehrpraxis an der Uni
versität Bremen zurück - und diese wieder auf meine eigene Ausbildung und die
Lehrerfahrungen vieler Kollegen. Trotzdem enthält die vorliegende Zusammen
stellung auch viele Eigenheiten, schon deshalb, weil sie ein Dutzend Jahre Lehrdis
kussion im Studiengangs Informatik der Universität Bremen widerspiegelt - einer
Ausbildung die recht konsequent die Hardware-Grundlagen der Software-Entwick
lung und der Anwendung der Informatik nachgeordnet hat. Dieser perspektivi
sche Blick vernachlässigt die Details der Gerätetechnik nicht; er fügt sie jedoch in
ein besonderes Gesamtbild der Informatik ein.
Das vorliegende Buch ist die zweite Auflage. Eine Neuauflage ist nun von Natur aus
ein ·Ableger·, aber es gibt unter Ablegern sowohl reinrassige Kopien wie Kreu
zungen und Varianten. Diese Neuauflage gehört unter vielen Aspekten zu den letz
teren-sie ist eine radikale Neubearbeitung. Das Grundgerüst wie die Aufteilung in
die drei Bereiche digitale Schaltungen, Rechnerarchitektur und eine Einführung in
Betriebssysteme wurde freilich beibehalten, da es sich in der Lehre bisher gut
bewährt hat Die technische Weiterentwicklung hat dagegen neue Fakten, neue
Aspekte, andere Gewichte und auch den Verzicht auf ausgelaufene Entwicklungen
bedingt. Insofern unterscheidet sich diese Ausgabe erheblich von der vorherigen.
Möge dies weiterhin den Zweck einer Einführung in die Technik anhand aktueller
und praxisbezogener Beispiele erfüllen.
Wissenschaft ist abstrahierte Erfahrung, eigene wie fremde. Eigene entsteht im
Labor, im Feld oder durch Nachdenken, die fremde durch Lesen. Und so ist fast
jedes Buch eine Summula anderer Bücher. Wissenschaftlicher Brauch und Anstand
verlangen, daß man seine Quellen offenlegt. Doch bei Lehrbüchern, die auf Jahre
und Jahrzehnte von Lehrpraxis zurückgreifen, ist es oft schwer, eine angemessene
Würdigung all der Einflüsse und Quellen zu erreichen. Deshalb fehlen manchmal
direkte Hinweise auf aufgegriffene Ideen, manchmal, weil sie die Lesbarkeit beein
trächtigen würden, häufiger jedoch, weil sie mir die Ergebnisse präsent, die Quel
len aber entfallen sind.
Für die technischen Details ist viel Firmenliteratur in die entsprechenden Kapitel
eingegangen. Besonders bedanken möchte ich mich hier bei Motorola, Intel, IBM,
SUN, Cypress, NEC, Toshiba, Hitachi, Valvo und AMD/MMI, die mir Material zur
Verfügung gestellt haben. Die Darstellungen sind ebenso wie die Fehler natürlich
meine.
VI
Bücher, die ich immer wieder benutzt habe, und deren Lektüre ich jedem interes
sierten Leser nachdrücklich empfehle, sind im Literaturverzeichnis angegeben.
Die angegebene Informatikliteratur ist durchweg lesenswert. Sie setzt oft andere
und vom vorliegenden Buch abweichende Akzente. Unter der eher technischen
Literatur will ich zwei Autoren besonders hervorheben, da sie den Übergang von
der Informatik zur Mikroelektronik und zur technischen Praxis besonders
erleichtern: Horst Völz und Dieter Nührmann. Des weiteren habe ich einige
Firmenliteratur sowie einige Standards angegeben; sie werden mit dem Zusam
menwachsen von Informatik und Kommunikationstechnik immer (ge-)wichtiger.
Informatiker wissen, daß jedes Programm noch mindestens einen Fehler enthält.
Für Bücher gilt dies leider ebenso und die modernen rechnergestützten Herstel
lungsmethoden erhöhen diese Wahrscheinlichkeit eher noch. Trotzdem soll und
darf der Kampf gegen bekannte Fehler nicht aufgegeben werden. Leserinnen und
Leser werden deshalb gebeten, dem Autor entdeckte Fehler zu nennen. Als kleine
Gegenleistung erhalten sie dafür eine Liste aller bereits bekannten Fehler.
Bremen imJanuar 1992
Wolfgang Coy
VII
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses Buch bietet eine Einführung in die Gerätetechnik moderner Rechenanlagen
bis hin zu Rechnerbetriebssystemen. Dazu werden die Bauteile des Rechners
mehr oder weniger umfassend beschrieben und Techniken des Schaltungs- und
Rechnerentwurfs eingeführt.
Im ersten Teil wird das Konzept der digitalen Schaltung bis hin zum Entwurf
sequentieller Maschinen entwickelt. Integrierte Schaltungen werden untersucht,
soweit sie zum Verständnis der Rechnerorganisation notwendig sind. Der zweite
Teil des Buchs baut auf diesen Kenntnissen auf und führt in die Architektur von
Rechenanlagen ein, indem die Struktur einfacher Rechnersysteme untersucht wird.
Der dritte Teil behandelt einige grundlegende Aspekte von Betriebssystemen, um
die Architektur einer Datenverarbeitungsanlage umfassend zu verstehen. Als kon
kretes Beispiel wird das Unix-Betriebsystem betrachtet, das für viele 32-Bit-Rech
ner verfügbar ist.
Alle drei Teile sind einführend und sollen eine Vertiefung durch Studium und
Praxis vorbereiten. Der Text ist aus langjährigen Vorlesungen im Studiengang
Informatik der Universität Bremen entstanden. Diese Vorlesungen erstrecken
sich über die zwei oder drei ersten Semester des Informatikstudiums. Neben der
Einführung in Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen müssen die zukünf
tigen Informatiker umfangreiche Veranstaltungen zu Algorithmen und Program
mierung, zu den Anwendungen der Informatik, zu mathematischen Grundlagen
und zu gesellschaftlichen Bezügen der Informationstechnik besuchen. Das Buch
soll die ersten Schritte in Richtung der Gebiete Schaltwerktheorie und -technik,
Rechnerarchitektur, Betriebssysteme und maschinennaher Programmierung
unterstützen. Als ein solcher erster Schritt mag es auch für andere Lehrveranstal
tungen nützlich sein -und sei es im Kontrast zu anderen Texten.
Es wurde versucht, an den geeigneten Stellen reale, aktuelle Systeme zu betrach
ten, um den Bezug zur Praxis der Daten- und Informationsverarbeitung deutlicher
zu machen. Ein Risiko birgt dieser Versuch einer praktisch orientierten Darstel
lung: Die einzelnen technische Daten veralten rasch, da Informatik und Halbleiter
technik auch nach vier Jahrzehnten heftiger Entwicklung noch immer sehr dyna
mische Technikgebiete sind. Dennoch wurde diese Integration realer technischer
Systeme in eine einführende Darstellung der Rechnerorganisation und Rechner
architektur gewählt, um dem Leser die Chance zu geben, hier besprochene Prin
zipien und Techniken in seinem alltäglichen Umgang mit Rechenanlagen wieder
zuentdecken. Der Akzent der Darstellung liegt auf Mikro- und Minirechnern, weil
sie in vielen Aspekten einfacher als Großrechenanlagen aufgebaut sind und weil sie
VIII
allgemein verfügbar sind. Trotzdem werden auch Einzelheiten großer und sehr
großer Rechenanlagen vorgestellt, wo es sinnvoll erscheint.
Theoretische Konzepte, wie Baalesche Funktionen und Ausdrücke, sequentielle
Maschinen, Zustandsdiagramme, endliche Automaten und Petri-Netze werden an
vielen Stellen angesprochen, stehen aber nicht im Mittelpunkt der Darstellung.
Die tiefer liegenden mathematischen Strukturen werden üblicherweise in den
parallel laufenden Grundkursen zur Mathematik vermittelt und es existiert eine
reichhaltige Literatur zu diesen Themen. Hier werden nur die Anwendungen in der
praktischen Informatik angesprochen. Es wird auch nicht von den Auswirkungen
der Informatik und Halbleitertechnik auf Arbeit und Alltag in der Gesellschaft
gesprochen. All diese Fragen sind für eine umfassende Diskussion von Rechen
anlagen sehr wichtig, jedoch würde eine Integration aller Aspekte den Umfang des
Buches vervielfachen. So muß der unbefriedigende Eindruck bleiben, sich einem
umfassenden Thema nur partiell nähern zu können. Doch wurde mit dem Text
der Versuch gemacht, die drei oft disjunkt behandelten Themenbereiche Rech
nerorganisation, Rechnerarchitektur und Rechnerbetriebssysteme wenigstens
ansatzweise gemeinsam zu behandeln.
Es ist sicher nützlich, wenn der Leser schon Erfahrungen mit einem realen Rech
ner hat und noch nützlicher, wenn er diesen in irgendeiner Sprache programmie
ren kann- vorausgesetzt wird beides nicht.
Ich möchte einigen Menschen danken, die mir in einzelnen Phasen bei der Erstel
lung des Textes geholfen haben: Ewgenija Badras, Michael Herzog und Günther
Feldmann. Meinen Eltern ist das Buch gewidmet.
Bremen, Ostern 1987
Wolfgang Coy
P.S.: Um die Lesbarkeit des Textes als Lehrbuch nicht unnötig zu komplizieren,
wurde auf ausführliche Zitate verzichtet. Es entspricht dem Charakter des Lehr
buchstoffs, daß er in vielen anderen Texten ebenfalls behandelt wird. Am Ende
des Buches findet der Leser ein kompaktes Literaturverzeichnis, das ihm zu ein
zelnen Fragestellungen weiterhelfen mag. Ich habe mich bemüht, deutschspra
chige Begriffe zu verwenden, wo dies irgendwie möglich erschien. Da die inter
nationale Literatur der Informatik englisch geschrieben ist, habe ich die englischen
Übersetzungen beim ersten Erwähnen des Begriffs und mahchmal auch später
zum besseren Verständnis in Klammern beigefügt. Zudem habe ich versucht,
problematische Eindeutschungen, auch wenn sie schon Fuß gefaßt haben, zu ver
meiden und durch passendere Worte zu ersetzen.
IX
Inhalt
Vorwort zur zweiten Auflage ....................................................................................... V
Vorwort der ersten Auflage ....................................................................................... VII
I DIGITALE SCHALTUNGEN UND RECHNERORGANISATION .............................................. 1
1 Ansicht eines Rechners ............................................................................................... 1
1.1 Wurzeln der Datenverarbeitung ............................................................................. 1
1.2 Zeichen ....................................................................................................................... 4
1.3 Schematischer Aufbau eines Rechners .................................................................. 9
1.4 Von Neumann Rechnerkonzept ........................................................................... 19
1.5 Übungen. .................................................................................................................. 23
2 Schaltungslogik ........................................................................................................... 25
2.1 Boolesche Funktion ................................................................................................ 25
2.2 Normalformen logischer Funktionen .................................................................. 32
2.3 Kochrezepte zur Erzeugung von Normalformen ............................................... 37
;:~ ~~~x:g~~~~~·i·~~.~~::~.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::!~
3 Digitallogische Schaltungen ....................................................................................... 45
3.1 Schaltfunktion .......................................................................................................... 45
3.2 Sequentielle Schaltung ............................................................................................. 55
3.3 Übungen ................................................................................................................... 64
4 Integrierte Schaltung .................................................................................................. 67
4.1 Integrierte Bausteine ............................................................................................... 67
4.2 Multiplexer ............................................................................................................... 71
4.3 Kombinatorische Hardware-Normalfarmen ...................................................... 75
4.4 Addierwerke ............................................................................................................ 82
4.5 Übungen ................................................................................................................... 84
5 Schaltungen mit Speicherbaustein ........................................................................... 87
5.1 Zustandsdiagramm .................................................................................................. 88
5.2 Entwurf sequentieller Schaltungen ........................................................................ 91
5.3 Iterative Netze ......................................................................................................... 95
5.4 Weitere sequentielle Schaltungen: Register .......................................................... 98
5.5 Übungen ................................................................................................................. 108
X
Il RECHNERARCHITEKTUR ............................................................................................ 111
6 Einfache Zahldarstellungen im Rechner ................................................................ 111
6.1 Stellensysteme zur Darstellung natürlicher Zahlen ........................................... 111
6.2 Wortarithmetik ..................................................................................................... 117
6.3 Übungen ................................................................................................................. 125
7 Aufbau und Arbeitsweise einer Zentraleinheit.. .................................................. 127
7.1 Rechenwerk Arithmetische und Logische Einheit (ALU) ............................... 127
7.2 Ein einfaches Rechenwerk ................................................................................... 132
7.3 Steuerung eines Prozessors ................................................................................. 134
7.4 Zentraleinheit ............................................................................. ." .......................... 136
7.5 .~egistertransfersprachen ..................................................................................... 138
7.6 Ubungen ................................................................................................................. 142
8 Maschinenbefehle und Mikroprogrammierung .................................................. 143
8.1 Maschinenbefehlssatz ........................................................................................... 143
8.2 Ein einfacher Maschinenbefehlssatz ................................................................... 145
8.3 Mikroprogrammierung ........................................................................................ 160
8.4 ~parc- Eine RISC-Architektur ............................................................................. 162
8.5 Ubungen ................................................................................................................. 167
9 Maschinensprache ................................................................................................... 169
9.1 Assemblersprache des MC 68000 ....................................................................... 171
9.2 Struktur einer Assemblersprache ...................................................................... 189
9.3 Aufbau eines einfachen Assemblierer ............................................................... 193
9.4 Aufgabenorientierte Programmiersprache ....................................................... 198
9.5 Übungen. ................................................................................................................ 201
10 Rechnerarithmetik ................................................................................................. 203
10.1 Festkommazahlen ............................................................................................... 203
10.2 Gleitkommazahlen .............................................................................................. 212
10.3 Gleitkomma-Koprozessoren ............................................................................ 221
11 Ein/A usgabe-Organisation .................................................................................... 227
11.1 Busse ..................................................................................................................... 227
11.2 Konkurrente Steuerung von Peripherieprozessoren .................................... 230
11.3 Mikroprozessorbusse ........................................................................................ 232
11.4 Reale Ein/Ausgabebusse: SUN Spare, DEC Vax, IBM S/390 .......................... 237
11.5 t>-llgemeine Verbindungsnetzwerke ................................................................ 241
11.6 Ubungen ............................................................................................................... 247
12 Speicherhierarchie und Zusatzspeicher ............................................................. 249
12.1 Automatische Fehlerkorrektur ......................................................................... 251
12.2 Speicherhierarchie. ............................................................................................. 255
12.4 Assoziativspeicher .............................................................................................. 261
12.5 Schneller Pufferspeicher. ................................................................................... 264
12.6 Speicherseitenverwaltung (Pa ging) ................................................................... 266
12.7 Reale Speicherhierarchien ................................................................................. 268
12.8 Zusatzspeicher .................................................................................................... 272
12.9 Übungen ............................................................................................................... 278