Rechnerstrukturen und Rechnerarchitekturen

Wenn Sie dieses Kapitel gelesen haben, sollten Sie wissen, wie ein Rechner addiert, subtrahiert, zwei Zahlen miteinander vergleicht, und so weiter. Aufgabe eines Rechenwerks ist es, die arithmetischen, die logischen und die Vergleichsbefehle eines Rechners auszuführen. Diese Befehlsgruppe wird bei einfachen Operationen von der arithmetisch-logischen Einheit (ALU = arithmetic logic unit) des Zentralprozessors ausgeführt, bei aufwendigen Berechnungen häufig durch besondere Arithmetik-Prozessoren, die von der Zentraleinheit aufgerufen werden und dann unabhängig von dieser die geforderte Berechnung durchführen. Im Rahmen dieses Buches ist es nicht möglich, das ganze Gebiet der in Rechenwerken verwendeten Algorithmen und ihrer Implementierung für alle vorkommenden Zahlendarstellungen (ganze, Festkomma-, Gleitkomma- und BCD-Zahlen) ausführlich zu behandeln. Wir müssen uns also auf einige ausgewählte Verfahren und Beispiele beschränken.

Ihre Aufgabe ist das Speichern von Informationen, d.h. von Programmen und von Daten. Bei allen Rechnern finden wir aber nicht nur einen Speicher, sondern eine Hierarchie von Speichern. Dies liegt zum einen daran, daß die zu speichernde Datenmenge von 1-Bit-Informationen (Prozessorzustand, Übertrag, usw.) bis hin zu den größten Dateien reicht, man also für unterschiedliche Aufgaben Speicher verschiedener Größe installieren muß. Zum anderen wirken sich die Kenngrößen von Speichertechniken auf die Gestaltung der Hierarchie aus. Kenngrößen sind dabei im wesentlichen die Speicherkosten pro Bit und die Zugriffszeit, die beide in engem Zusammenhang mit der Kapazität der Speicher stehen.

Die Aufgabe des Steuerwerkes (Leitwerk) besteht darin, das als Information gespeicherte Programm in Steuersignale umzusetzen und mit diesen alle Einheiten eines Datenverarbeitungssystems zu betreiben.

In diesem Kapitel wollen wir den Rechner unter dem Gesichtspunkt der Datenübertragung betrachten. Die Eigenschaft, Daten senden und empfangen zu können, gehört zu den grundsätzlichen Fähigkeiten jeder Datenverarbeitungsanlage. Erst die Möglichkeit zur Kommunikation zwischen dem Rechner und anderen technischen Einrichtungen gestattet dem Menschen die sinnvolle Nutzung des Werkzeugs “Rechner”. Wir wollen aber nicht nur den Datentransport zwischen dem Zentralprozessor und den angeschlossenen Ein- und Ausgabegeräten behandeln, sondern zunächst mit den möglichen Bus-Strukturen zur Datenübertragung innerhalb des Zentralprozessors (CPU) selbst beginnen. Anschließend sollen dann die verschiedenen Organisationsformen des Datenverkehrs zwischen CPU und Arbeitsspeicher, Sekundärspeicher, Drucker, Bildschirm, usw. behandelt werden.

In diesem Kapitel sollen Sie die wichtigste Architektur kennenlernen, nach der die meisten Rechner in der Vergangenheit gebaut wurden und die noch heute den Bauplan der meisten Rechner bestimmt. Der Begriff Architektur im Zusammenhang mit Datenverarbeitungsanlagen mag dabei zunächst etwas ungewohnt erscheinen, jedoch hat er sich aus dem Bauwesen mit einer gewissen Einschränkung auf den Bereich der Computer übertragen. In der Baukunst wird mit den bekannten Konstruktionselementen wie Mauern, Decken, Bögen, Stürzen usw. ein Gebäude unter den drei Gesichtspunkten der Zweckmäßigkeit, der Haltbarkeit und der Schönheit entworfen.

In der Digital- und Datentechnik haben wir uns mit den Bausteinen befaßt, aus denen der Rechner besteht. Dort wurden die Hardware-Betriebsmittel und Methoden vorgestellt, mit welchen sich Geräte der Datenverarbeitung entwerfen und bauen lassen.

In Kapitel 5 haben wir die Organisation des Informationsaustauschs zwischen den Betriebsmitteln eines Rechners behandelt. Dabei stand die Verbindung des Zentralprozessors mit Arbeits- und Sekundärspeicher sowie den Ein/Ausgabe-Einheiten zur Diskussion. Hier wollen wir uns erneut mit Kommunikationsproblemen beschäftigen. Sie treten auf bei der Realisierung von Rechnern mit mehr als einem Verarbeitungsprozessor, aber auch bei der Kopplung mehrerer selbständiger Rechner in einem Rechnernetzwerk.