Rechnerarchitektur

Das kompakte Lehrbuch, erprobt in Lehrveranstaltungen in Tübingen und Leipzig, beschreibt die hardware-technischen Merkmale moderner Rechnerarchitekturen und herstellerabhängig deren konkrete und aktuelle Implementierungen. Die neue Auflage wurde vollständig aktualisiert und erweitert. Neu hinzugekommen sind Kapitel über neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der 64 Bit-Architekturen (IA-64, Hammer, UltraSparc III, Power4), der Großrechner (Parallelrechner) und Multimedia. Außerdem gibt es einen kostenlosen Online-Service für den Einsatz des Buches in der Lehre.

Dr. rer. nat. Paul Herrmann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter mit dem Arbeitsgebiet "Logic Design Automation" am Institut für Informatik der Universität Leipzig. Das Buch entstand auf der Grundlage eines Skriptums und Lehrveranstaltungen zusammen mit Prof. Spruth, Universität Leipzig.

1 Einführung.- 1.1 Allgemeine Einführung.- 1.2 Rechnerarchitektur-Begriff.- 1.3 Definitionen.- 1.4 Software-Architektur.- 1.5 Hardware-Architektur.- 1.6 Prinzipieller Rechneraufbau.- 1.7 Hardware-Kosten eines Rechnersystems.- 1.8 Wichtige Kenngrößen einer Rechnerarchitektur.- 2 Technologische Grundlagen.- 2.1 Einführung.- 2.2 Integration in der Chip-Technologie.- 2.3 Prozessor-Design und Hardware-Implementierung.- 2.4 Energieprobleme in Rechnersystemen.- 2.5 SOI-Technologie.- 3 Einfachst-Rechner.- 3.1 Einführung.- 3.2 Architektur-Entscheidungen.- 3.3 Funktions-Einheiten.- 4 Adressierung.- 4.1 Einführung.- 4.2 Universalregister-Maschinen.- 4.3 Byte Ordering.- 4.4 Befehlsarten.- 4.5 Registersatz der Zentraleinheit.- 4.6 Befehlsformat und Adressierungsarten.- 4.7 64 Bit-Architekturen.- 5 Speichernutzung.- 5.1 Einführung.- 5.2 Aufteilung des Hauptspeichers.- 5.3 Speicherschutz.- 5.4 Multitasking und Multiprogrammierung.- 6 Virtuelle Speicher.- 6.1 Einführung.- 6.2 Virtueller und realer Adressraum.- 6.3 Adressumsetzung.- 6.4 Demand Paging.- 6.5 Prozessverwaltung.- 6.6 Lokalitäts-Prinzip.- 6.7 Seiten-Attribute.- 6.8 Adressumsetzpuffer.- 6.9 Der externe Seitenspeicher.- 7 Virtuelle Speicherverwaltung in Multiprogrammsystemen.- 7.1 Funktionsweise.- 7.2 Gemeinsame Seitentafel verschiedener Prozesse.- 7.3 Ein- /Ausgabe-Operationen.- 8 Segmentierung.- 8.1 Einführung.- 8.2 IBM RS/6000 Segmentierung.- 8.3 IBM ESA/370 (/390) Segmentierung.- 8.4 Segmentierung der Intel-Architekturen.- 9 Hauptspeicher.- 9.1 Hauptspeicher-Technologien.- 9.2 Implementierungsarten einer Speicherzelle.- 9.3 Adressierung des Hauptspeichers.- 9.4 Preisgestaltung von Hauptspeicher-Chips.- 9.5 Erweiterungsspeicher (expanded storage).- 9.6 Extended Refresh Devices.- 9.7 Techniken zur Beschleunigungder Hauptspeicherzugriffe.- 10 Mikroprogrammierung.- 10.1 Horizontale Mikroprogramme.- 10.2 Vertikale Mikroprogramme.- 10.3 Adressierung mittels Statusinformation.- 10.4 Zweistufige Mikroprogramme.- 10.5 High Level Microcode.- 11 Pipelines.- 11.1 Einführung.- 11.2 Daten- und Steuerfluss.- 11.3 Pipeline-Speedup.- 12 RISC-Architektur.- 12.1 Einführung.- 12.2 Theoretische Eigenschaften von RISC-Architekturen.- 12.3 Praktische Merkmale moderner RISC-Implementierungen.- 12.4 Moderne RISC-Architekturen.- 12.5 RISC-Identifikation.- 12.6 Swing-Architekturen.- 13 Leistungsverhalten von Rechnern.- 13.1 Einführung.- 13.2 CPU-Leistung.- 13.3 Hauptspeicher-Effizienz.- 13.4 E/A-Leistung.- 13.5 Benchmark.- 14 Superskalare Architekturen.- 14.1 Einführung.- 14.2 Superskalare Architekturen.- 14.3 Superpipelining.- 14.4 VLIW-Architekturen.- 15 Dynamic Execution.- 15.1 Einführung.- 15.2 Pentium Pro.- 15.3 P6-kompatible Rechnerarchitekturen.- 15.4 Pentium 4.- 15.5 Entwicklungs-Tendenzen.- 16 Reale 64 Bit-Architekturen.- 16.1 IA-64.- 16.2 X86-64 und der AMD Hammer.- 16.3 MIPS64.- 16.4 Sun Ultra Sparc III.- 16.5 IBM Power 4.- 17 Vektorrechner.- 17.1 Einführung.- 17.2 CDC CYBER 205.- 17.3 Cache-Speicher.- 17.4 Register.- 17.5 CRAY-Vektorrechner.- 17.6 Leistung von Vektorrechnern.- 17.7 Entwicklungs-Trends.- 18 Hardware-Komponenten zur Unterstützung des Betriebssystems.- 18.1 Einführung.- 18.2 Privilegstufen.- 18.3 Stapel.- 18.4 Unterbrechungen.- 19 Ein- und Ausgabe-Organisation.- 19.1 Einführung.- 19.2 Plattenspeicher.- 19.3 Festplattenspeicher-Ansteuerung.- 19.4 Ein-/Ausgabe-Befehle.- 19.5 Arten der Ein-/Ausgabe.- 20 Parallelrechner.- 20.1 Einführung.- 20.2 Klassifizierung.- 20.3 Leistung von Parallelrechnern.- 20.4 Datenabhängigkeit.- 21 Multimedia-Rechner.- 21.1 Einführung.-21.2 Multimediale Datenverarbeitung.- 21.3 Multimedia-Erweiterungen.