Rechnerarchitektur

Heutzutage ist es fast schon eine Selbstverständlichkeit, daß in immer kürzeren Ab ständen neuartige Rechnertypen auf dem Markt erscheinen. Insbesondere die Mi kroprozessoren haben in den letzten Jahren eine stürmische Entwicklung erfahren und viele der Architekturkonzepte, die zunächst den Großrechnern vorbehalten wa ren, haben in die Architekturen der Mikroprozessoren Eingang gefunden. In anderen Worten, viele der grundlegenden Ideen, welche die Architektur von Rechnern be treffen, existieren schon seit langer Zeit. Sie haben sich trotz all der Fortschritte im Detail und in der Rechnertechnologie in erstaunenswerter Weise als außerordentlich tragfähig erwiesen. Noch heute spiegeln die meisten Rechnerarchitekturen die Grundzüge des sogenannten von Neumannschen Architekturkonzepts wider. Es ist ein Anliegen dieses Buchs, gerade diese grundlegenden Ideen herauszustellen, und nicht so sehr, auf die detaillierte Beschreibung heute verbreiteter Rechnertypen ein zugehen. Deshalb wurde auch auf die Beschreibung einzelner Mikroprozessoren weitgehend verzichtet. Darüber gibt es eine umfangreiche Literatur. Dennoch wer den alle wichtigen Architekturaspekte moderner Mikroprozessoren behandelt. Das Buch beginnt mit der Erläuterung des Begriffs Architektur. Anschließend wer den die wichtigsten Aspekte der Architekturbewertung angesprochen (Kapitel 1). Die Klassifizierung der gängigsten Rechnerarchitekturen ist Inhalt von Kapitel 2. Parallelrechner bilden dabei einen Schwerpunkt. Die ersten beiden Kapitel sollen zum einen eine Übersicht über die Architekturlandschaft vermitteln und zum ande ren dem Leser das Einordnen von Architekturkonzepten, wie sie in den folgenden Kapiteln behandelt werden, erleichtern. Danach wird zunächst der Aufbau derZentraleinheit eines Rechners behandelt (Kapitel 3).

1 Rechnerarchitektur und Bewertung.- 1.1 Architektur.- 1.2 Architekturkriterien.- 1.3 Bewertung von Rechnerarchitekturen.- 2 Klassifizierung von Rechnerarchitekturen.- 2.1 SISD-Architekturen.- 2.2 SIMD-Architekturen.- 2.3 MIMD-Architekturen.- 2.4 Weitere Architekturklassen.- 2.5 Spezielle Klassifizierungsschemata.- 3 Architektur und Organisation eines SISD-Rechners.- 3.1 SISD-Rechneraufbau.- 3.2 Instruktionssatz-Architektur.- 3.3 Daten- und Steuerprozessor.- 3.4 Mikroprozessorsysteme.- 3.5 Großrechner.- 4 Unterstützung des Betriebssystems.- 4.1 Ausnahmen.- 4.2 Prozesse.- 4.3 Threads.- 5 Maßnahmen zur Steigerung der Leistung und Verläßlichkeit.- 5.1 Beschleunigung durch Parallelität.- 5.2 Pipelines.- 5.3 Superskalare Prozessoren.- 5.4 Coprozessoren.- 5.5 Maßnahmen zur Erhöhung der Verläßlichkeit.- Anhang: Zur Spezifikation eines Prozessors.- 6 Speichersysteme.- 6.1 Speicherhierarchie.- 6.2 Assoziativspeicher.- 6.3 Caches.- 6.4 Hauptspeicher.- 6.5 Virtueller Speicher.- 6.6 Sekundärspeicher.- 7 Busse und Ein-/Ausgabesysteme.- 7.1 Busse.- 7.2 Ein-/Ausgabe-Organisation.- 8 Parallelrechner.- 8.1 Parallelrechner-Architekturen.- 8.2 Verbindungsnetzwerke.- 8.3 Parallelrechner und wissenschaftliches Rechnen.- Anhang A: Modellierung und Bewertung.- A1 Leistungs- und Zuverlässigkeitsbewertung.- A1.1 Modellbildung.- A1.2 Leistungsbewertung durch Simulation.- A1.3 Zuverlässigkeitsbewertung fehlertoleranter Architekturen.- A2 Stochastische Modellierung.- A2.1 Leistungsbewertung durch Mittelwertanalyse.- A2.2 Zustandsraummethode.- A2.3 Zuverlässigkeitsbewertung.- A3 Generalisierte Stochastische Petri-Netze.- A3.1 Petri-Netze.- A3.2 Stochastische Petri-Netze.- A3.3 Spezifikation mit Petri-Netzen.- Anhang B: Mikroprogrammierung.- B1 Automaten.- B1.1 Berechnungen.- B1.2Automaten.- B1.3 Steuer- und Datenpfad.- B1.4 Beispiele.- B2 Mikroprogrammierte Systeme.- B2.1 Eine mikroprogrammierte Maschine.- B2.2 Ausbau der mikroprogrammierten Maschine.- B2.3 Mikroprogrammierter Rechner.- B3 Mikroprogrammierung.- B3.1 Der Steuerprozessor.- B3.2 Beispiele für einfache Mikroprogramme.- B4 Eine einfache Assemblersprache.- Literatur.- Verwendete Symbole.- Verzeichnis der Abkürzungen.