Datenverarbeitungssysteme: Aufbau und Arbeitsweise

ISBN-13: 9783642679629 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 308 str.

K. E. Ganzhorn;K. M. Schulz;W. Walter

Opis

Der Stoff dieses Lehrbuches beruht auf einer Vorlesung, die seit 1960 fur Studierende der Elektrotechnik und Wirtschaftswissenschaften an der Universitat Karlsruhe gehalten wird. Aufgabe und Ziel dieser Vorlesung war und ist es, eine Einfuhrung und einen Uberblick uber Aufbau und Arbeitsweise von Datenverarbeitungssystemen im Verlauf von etwa 20 Vorlesungsstunden zu geben. Obwohl die Vorlesung im Rahmen einer Fakultat fur Elektrotechnik stattfindet, ist sie so angelegt, dass keine speziellen Kenntnisse in Schaltkreiselektronik bzw. Nachrichtentechnik erforder lich sind, es werden lediglich elementare Kenntnisse uber binare Zahlen, digitale Technik und Programmierung vorausgesetzt. Alle Darstellungen uber Funktions weisen gehen hinab bis zur Behandlung der binaren Signale 0 und 1, ohne dass dabei einschlagiges Wissen uber die technologische Realisierung vorhanden sein muss. Vielmehr ist es stets das Bestreben gewesen, Struktur und Arbeitsweise von Computern bzw. datenverarbeitenden Systemen unabhangig von technologischen Implementierungen als "logische" Prozesse zu behandeln. Das Hauptaugenmerk aller Bemuhungen, den mit der schnellen Entwicklung der Computertechnik rasch wachsenden Stoffumfang konzentriert und uberschaubar zu halten, lag stets darauf, einen invarianten Lehrstoff herauszukristallisieren. Unter diesem Aspekt invarianter Prinzipien wurde eine Reihe von Entwicklungsrichtungen analysiert und stofflich konzentriert und damit angestrebt, langzeitig gultiges Ingenieurwissen zu etablieren. In dem vorliegenden Buch werden diese Bestrebungen auch ausserlich durch didaktische Vorkehrungen in der Darstellung des Stoffes unterstutzt. Dazu werden z. B. alle erstmalig auftretenden wichtigen Fachbegriffe sichtbar herausgestellt und der gesamte Stoff in zwei Kategorien, namlich grundlegende und weiterfuhrende, klein gedruckte Aussagen untergliedert. Auch die Abbildungen sind so vereinfacht, dass sie wesentliche Sachverhalte schematisch darstellen und Allgemeingultigkeit anstreben."

Spis treści

Einführung.- 1. Information als Element der Technik.- 1.1 Datenverarbeitung — alte Notwendigkeit und neue Möglichkeit zugleich.- 1.2 Die neue Stufe in Technik und Wissenschaft.- 1.3 Die Äquivalenz zwischen Steuerung und Information.- 1.4 Herausforderung an Wissenschaft, Technik und Gesellschaft.- I: Grundlagen.- 2. Prinzipien der Datenverarbeitung.- 2.1 Allgemeine Grundfunktionen der Datenverarbeitung.- Datenverarbeitungssystem, Ein- und Ausgabe, Transport, Speicherung, Verknüpfung, Steuerung, Hardware, Software, Verarbeitungsprogramme.- 2.2 Historischer, extern gesteuerter Automat.- 2.3 Datenverarbeitung mit Gespeichertem Programm.- Programm als Information, Gespeichertes Programm, Programm = Steuerinformation, Äquivalenz von Steuerung und Information.- 2.4 Datenverarbeitung als Wechselwirkung von Informationsströmen.- 2.5 Räumliche Anordnung der Datenverarbeitung.- Zentrale Datenverarbeitung, Datenfernverarbeitung, Auftragsfernverarbeitung, Rechnerverbund.- 2.6 Zeitliche Betriebsarten der Datenverarbeitung.- 2.6.1 Stapelbetrieb.- 2.6.2 Dialogbetrieb.- 2.6.3 Realzeitbetrieb.- 2.7 Typische Anwendungsbeispiele.- 3. Grundfunktionen.- 3.1 Digitale Informationsdarstellung.- Bit, binäre Zeichendarstellung, digitale Darstellung, Codierung, Zeichenvorrat.- 3.2 Informationsspeicherung.- Adresse, Adreßraum, Assoziativspeicher, Symbolische Adressierung.- 3.3 Eingabe und Ausgabe.- Informationswandlung, Analog-Digital-Umwandlung.- 3.4 Informationstransport.- Binäre Signale, Wegeschalter, Übertragungskanal, Sammelweg, Signaldauer, Takt.- 3.5 Informationsverknüpfung.- Verknüpfung, BOOLESCHE Algebra, Negation: NICHT, Konjunktion: UND, Disjunktion: ODER, Funktionstabelle.- 3.6 Programmsteuerung.- Programm, Befehle, unbedingte oder bedingte Verzweigungsbefehle, Folge, Auswahl: IF_THEN_ELSE_, Wiederholung: DO_WHILE_, DO bzw. GET/ PUT, Operationsteil und Operandenteil, Befehlscode, Operanden, Programmstatus, Befehlszeiger, sequentielles Programm, Bedingungsschlüssel, Programmablauf.- 3.7 Grundsätzliche Arbeitsweise eines Datenverarbeitungssystems mit Gespeichertem Programm.- Elementarprozesse, Steuerungs- und Verarbeitungsprozesse, Befehls-Adressierung, Befehls-Abruf, Befehls-Decodierung, Befehlszeiger-Fortschaltung, Operanden-Adressierung, Operanden-Abruf, Operations-Ausführung, Ergebnis-Abspeicherung.- II: Das Datenverarbeitungssystem.- 4 Systemübersicht.- 4.1 Systemaufbau.- Zentraleinheit, Leitwerk und Rechenwerk, Prozessor, Hauptspeicher, Register, Pufferspeicher, Peripherie, Kanäle und Steuereinheiten, Daten- und Massenspeicher, Ein- und Ausgabegeräte.- 4.2 Speicherorganisation.- Zugriffszeit, Kapazität und Preis, Register, Pufferspeicher, Hauptspeicher, Datenspeicher, Massenspeicher, Archivspeicher.- 4.3 Software.- Verarbeitungsprogramme, Anwendungsprogramme, Übersetzer, Ursprungsprogramm, Zielprogramm, Interpretierer, Simulierer, Dienstprogramme, Systemprogramme, Betriebssystem, Betriebsorganisationsprogramme, Einleitendes Ladeprogramm, Supervisor, Makrobefehl, Zugriffsmethoden, Datenbank- bzw. Datenkommunikationsroutinen, Auftragssteuerung, Betriebsverwaltungsprogramme, Programmbinder, Bibliotheksführung.- 4.4 Das Zusammenwirken von Software, Firmware und Hardware.- Funktionsschichten, Software, Firmware und Hardware, Steuerungs-Hierar- chie, Prozeduren, Auftragssteuerungs-Interpretierer, Programme in problemorientierter Sprache, Anweisungen, Kompilierer, Makrobefehle, Makroas- semblierer, Maschinenbefehle, Mikroprogramm, Mikrobefehle, Funktionalbitsteuerung, Hardware-Schaltkreise.- 4.5 Mikroprozessorsysteme.- 5. Information und ihre Speicherung.- 5.1 Datenarten.- Darstellung, Syntax, Bedeutung, Semantik.- 5.1.1 Darstellung numerischer Daten.- Numerische Daten, Stellenschreibweise, Radixschreibweise, Zahlenvorrat des dualen Zahlensystems, Gleitkommaschreibweise, Mantisse und Exponent, Vorgabe, Charakteristik, normalisierte Form.- 5.1.2 Darstellung alphanumerischer Daten.- Alphanumerische Daten, IS07-Bit-Code, EBCDIC, ASC.- 5.1.3 Entscheidungsgehalt, Informationsgehalt, Redundanz.- 5.1.4 Datenformate.- Byteorganisierter Speicher, wortorganisierter Speicher.- 5.1.5 Programme als Daten.- 5.2 Datenbanken.- 5.2.1 Definition und Eigenschaften.- Datenbank, Daten, Beziehungen, Routinen, allseitige Benutzbarkeit, reduzierter Speicherbedarf, zentrale Kontrolle, Datenübereinstimmung, Datenunabhängigkeit, Datenauswahl.- 5.2.2 Datenbankmodelle.- Datenbankmodell, Untermodell, Erkennungsschlüssel, Tabellen, Relationales Datenbankmodell, normalisierte Form, Hierarchisches Datenbankmodell, Netzwerk-Datenbankmodell.- 5.2.3 Datenbankarchitektur.- Datenbankmodell, Logische Datenbank, Datenbanksoftware, Physikalische Datenbank.- 5.2.4 Datenbankzugriff.- 5.3 Datenspeicherung.- 5.3.1 Datenorganisationen.- Sequentielle Organisation ohne Index, Gestreute Organisation, Adressier-Algorithmus, Sequentielle Organisation mit Index, Index, Alternativindex, Freiräume, Überlaufbereiche, Kennsätze, Katalog.- 5.3.2 Blockungstechnik.- Blöcke, Spannsatz.- 5.3.3 Datenzugriffsmethoden.- 5.4 Speichermedien.- Schreiben, Speichern, Lesen, Festspeicher.- 5.4.1 Zentralspeicher.- Monolithische Speicher, Flipflop, Wegeschalter, Register, Schieberegister, linearer Wortspeicher, Adreßdecodierer, „wahlfreier“ Zugriff, Assoziativspeicher, Stapelspeicher, Warte schlänge, Matrixspeicher.- 5.4.2 Externe Speicher.- Magnetschichtspeicher, zyklischer Speicher, sequentieller Speicher, „direkter“ Zugriff, sequentieller Zugriff, Plattenspeicher, Zylinderkon- zept, Spur, Blöcke, Zylinder-, Spur- und Blockadresse, Festkopf- Plattenspeicher, Diskette, Trommelspeicher, Magnetband, Magnet- band-Kassette, Lochkarte.- 5.4.3 Neuere Speichertechnologien.- Magnetblasenspeicher.- 5.5 Speicherhierarchien.- 5.5.1 Speicherkenngrößen.- Zugriffszeit, Kapazität und Preis, Speicherhierarchie.- 5.5.2 Hierarchisches Konzept.- Lokalitätseigenschaften, Wechselalgorithmus, Adreßfehlreferenzen.- 5.5.3 Gepufferter Hauptspeicher.- 5.5.4 Virtueller Hauptspeicher.- Virtueller Speicher, realer Hauptspeicher, virtueller Adreßraum, Seiten, Seitenrahmen, Adreßtabellen, Dynamische Adreßumsetzung, Adreß- umsetzungsspeicher, Seitensupervisor.- 5.5.5 Virtueller Plattenspeicher.- 5.6 Speicherhierarchien — Quantitative Betrachtungen.- 6. Datenverarbeitung.- 6.1 Programme.- Algorithmus, Strukturierte Programmierung, Hauptprogramm, Unterprogramm.- 6.2 Betriebssystemfunktionen.- Betriebssystem, Betriebsmittel, Auftragssteuerung, Datenbankroutinen, Datenkommunikationsroutinen, Zugriffsmethoden, Supervisor.- 6.2.1 Auftragssteuerung.- Betriebsmittelabrechnung.- 6.2.2 Datenbankroutinen.- 6.2.3 Datenkommunikationsroutinen.- 6.2.4 Zugriffsmethoden.- 6.2.5 Supervisor.- 6.3 Maschinenfunktionen.- Maschinenarchitektur.- 6.3.1 Befehlsvorrat.- 6.3.2 Befehlsstruktur.- Variables Befehlsformat, Relative Adressierung.- 6.3.3 Adressierung.- Adressier schema, effektive Adresse, direkte Adressierung, Indexierung, Relative Adressierung, Distanz, Basis, Unterprogrammaufruf, indirekte Adressierung bzw. Adreßsubstitution.- 6.3.4 Programmstatus.- Programmstatuswort (PSW).- 6.3.5 Programm-Unterbrechungen.- Programmunterbrechung, Reaktionszeit, Prioritätszuordnung, laufendes PSW, altes PSW, neues PSW.- 6.4 Leitwerk.- 6.4.1 Leitwerksteuerung.- Befehlszeiger, Adreßdecodierer, Speicherregister, Datensammelweg, Befehlsregister, Befehlsdecodierer, Steuerregister, Signalleitungen, Rechenwerk, Wegeschalter, Adreßregister, Taktgeber.- 6.4.2 Beispiel einer Leitwerksteuerung.- 6.4.3 Operationssteuerung.- Operationsteil, Operationssteuerung, Funktionalbitsteuerung, funktionelle Bits, codierte Steuerung, Befehlsdecodierung, Mikroprogramm- Steuerung, Mikroprogramm.- 6.4.4 Mikroprogrammsteuerung.- Mikrofunktion, Mikrobefehl, Firmware, informatorische Speicherung aller Steuerimpulse, Emulator.- 6.5 Rechenwerk.- 6.5.1 Grundfunktionen.- Register, Verknüpfungsglied, Verzögerungsglied, Serienverarbeitung, Parallelverarbeitung.- 6.5.2 Erweiterte Arithmetik.- 6.5.3 Berechnung arithmetischer Ausdrücke.- Stapelrechner, Stapelspeicher, Umgekehrt Polnische Notation.- 6.6 Hierarchie der Datenverarbeitung.- Hierarchie der Datenverarbeitung, Funktionsschichten, Arbeitseinheiten, Sprachebenen, Benutzerzugänge, Übergänge, Dienste.- 7. Informationstransport.- 7.1 Allgemeines.- 7.1.1 Transportgrößen.- Binärsignale, Signaldauer, Informationsfluß, Transfergeschwindigkeit, Schrittgeschwindigkeit.- 7.1.2 Übertragungsarten.- Signal- bzw. informationsgesteuert, interne Datenübertragung, externe Datenübertragung.- 7.2 Interne Datenübertragung.- 7.2.1 Datensammelwege.- Datensammelweg, Steuersignalleitungen, Zeitmultiplex-Datensammel- weg, Raummultiplex-Datensammelweg, Daten-, Adreß- und Befehls- sammelwege.- 7.2.2 Datenkanäle.- Kanalkonzept, Kanal, Kanalprogramm, Kanalbefehl, Signalgesteuert, Selektorkanal, Multiplexkanal, Byte-Multiplexkanal, Block-Multiplex- kanal, Start-E/A-Befehl, Delegation der Steuerung, E/A-Vollendung.- 7.2.3 Taktsteuerung.- Taktgeber, Taktsteuerung.- 7.3 Externe Datenübertragungsnetze.- 7.3.1 Übertragung im Netz.- Netzwerk, Knoten, Verbindung, Anwendungsknoten, Vermittlungsknoten, Datenstationsknoten, Endknoten, Leitung, Informationsgesteuert, Nachricht, Wählleitung, Standleitung, simplex, halbduplex oder duplex, dezentrale Intelligenz.- 7.3.2 Netzwerktypen.- Punkt-zu-Punkt-Verbindung, Mehrpunkt-Verbindung, Verbindungs- Disziplin, Primärknoten, Sekundärknoten, Aufrufbetrieb, Adressen, Aufrufverfahren, Konkurrenzbetrieb, Sternnetz, Liniennetz, Ring- oder Schleifennetz, Maschennetz.- 7.3.3 Vermittlungsarten.- Leitungsvermittlung, Speichervermittlung, Teilstreckenbetrieb, Nachrichtenvermittlung, Paketvermittlung.- 7.4 Externe Kommunikation.- 7.4.1 Kommunikationsarchitektur.- Protokoll, Bedeutung, Form, Folge und Weg, Semantik, Syntax, Dialog, Adressen, Schichtung von Protokollen, Hierarchie von Steuerungsschichten, Steuerungsfunktionen, virtuelle Verbindung, realer Übergang, Dienst, Vorsatz, Nachsatz, Datenkommunikationsroutinen, Zugriffsmethoden der Datenfernübertragung, Supervisor, Netzwerksteuerprogramm, Datenstationssteuerprogramme.- 7.4.2 Datendarstellung.- Datendarstellungsroutinen, Darstellungsmodell, Logischer Darstellungsraum, Physikalischer Darstellungsraum, Geräteunabhängigkeit, Übertragungsdarstellung.- 7.4.3 Datenaustausch.- Sitzung, Nachrichtenbestätigung, Sitzungssteuerung, Transaktion, Dialog, Flußsteuerung, Nachrichtenkette, Nachrichtenmengendosierung, Folgenummern, Ausnahmebedingung.- 7.4.4 Transport über Netzwerke.- Wegsteuerung, Speichervermittlung, Segmentierung, Blockung, Paketvermittlung, Verbindungssteuerung, Aufrufbetrieb, Folgenumerierung, Datenübertragungsblock, Synchronisation, Nulleneinfügung, NRZI- Codierung.- 7.4.5 Übertragungstechniken.- Digitale Übertragung, analoge Übertragung, Modulationsverfahren, Modems, Regeneratoren, Multiplexverfahren, Kabel, Koaxialkabel, Mikrowellen, Nachrichtensatelliten, Glasfasern, Wählnetz, akustischer Koppler.- III: Erweiterungen und Ergänzungen 199.- 8. Hochleistungs-Systeme.- 8.1 Leistungsbetrachtungen.- Leistung, Leistungsfähigkeit.- 8.1.1 Leistungskriterien.- Durchsatz, Ausführungszeit bzw. Antwortzeit, Leistungsanforderungen, Auslastung.- 8.1.2 Leistungsparameter.- Millionen Instruktionen pro Sekunde, Zugriffszeiten, Übertragungsgeschwindigkeiten, Anwendungsprofile, Engpaß, Warteschlange.- 8.1.3 Leistungssteigernde Techniken.- Parallelisierung serieller Prozesse.- 8.2 Hochleistungs-Betriebssysteme.- 8.2.1 Ein-bzw. Ausgabe-Blockung.- Blockungstechniken.- 8.2.2 Ein- bzw. Ausgabe-Pufferung.- 8.2.3 Spulverfahren.- 8.2.4 Mehrprogrammbetrieb.- Mehrprogrammbetrieb, Programm verzahnungsverfahren, Priorität, Zeitscheibenverfahren, Lastbeschränkung, Speicherzerstückelung.- 8.2.5 Optimierende Betriebsmittelsteuerung.- Geplante Vergabe der Betriebsmittel, Sperre, Verklemmung.- 8.2.6 Mehrfache Adreßräume.- Mehrfache virtuelle Adreßräume.- 8.2.7 Virtuelle Maschinen.- Virtuelle Maschine, Hypervisor.- 8.3 Hochleistungs-Konfigurationen.- Kopplung.- 8.3.1 Rechnerverbund.- Rechnerverbund, Auftrags-Eingabe-Untersystem.- 8.3.2 Vor- bzw. Nach Verarbeitungssysteme.- Vor-bzw. Nach Verarbeitungssystem, Hauptrechner, Nachrechner, Vorrechner.- 8.3.3 Mehrprozessorsysteme.- Mehrprozessorsystem, Lastverteilung, Systemverfügbarkeit, Pufferspeicher, Speichersteuerung, Konfigurationssteuerung, Mehrprozessorfunktionseinheit, Kanalumschaltung, Auftragszuführung, Anschlußprozessorsystem.- 8.3.4 Parallelrechner.- Parallelrechner, Unterprozessoren, Datenfelder, Steuerprozessor, Steuerrungsphase, Verarbeitungsphase.- 8.4 Hochleistungs-Prozessoren.- 8.4.1 Verteilte Funktionen.- Verteilte Funktionen, Verwaltungsprozessor, Befehlsprozessor, Ein-/ Ausgabeprozessoren, Hauptspeichersteuereinheit.- 8.4.2 Fließbandverarbeitung.- Fließbandverarbeitung, Elementarprozesse.- 9. Systemzuverlässigkeit.- 9.1 Allgemeine Begriffe.- Zuverlässigkeit, Spezifikationen, Verfügbarkeit, Fehler, Defekte, Fehlerfolgen, Fehlerrate, mittlerer Ausfallabstand, Datensicherheit.- 9.2 Fehlererkennung und -lokalisierung.- Fehlererkennung und -lokalisierung, Systemstruktur, Begrenzung der Übergänge, Schutzvorkehrungen, Supervisor- und Problemzustand, Speicherschutz, Redundanz, Funktionsredundanz, Coderedundanz, Paritätsprüfung, longitudinale Satz-/Blockprüfung.- 9.3 Fehlertoleranz.- Fehlerkorrektur, Fehlertoleranz, Umkonfigurierung, Kontrollpunkt, Wiederanlauf.- 9.4 Wartung.- Wartung, Wartbarkeit, Diagnostikprogramme.- 10. Systementwicklung und -organisation.- 10.1 Der Systementwicklungsprozeß.- Entwicklungsprozeß, Definition, Entwurf, Dokumentation, Flußdiagramme, Implementierung, automatische Entwurfsverarbeitung, Test, Testfälle.- 10.2 Gesichtspunkte zur Systemorganisation.- Modularität, Hierarchische Anordnung, Hierarchische Rangfolge/Funktionsübertragung, Transparenz, Zentralisierung, Dezentralisierung, Multipli- zität, Unverzüglichkeit, Verzögerung, Universalität.- Schluß.- 11. Verallgemeinerte Prinzipien der Informationstechnik.- 11.1 Steuerung und Information.- Gespeichertes Programm, Äquivalenz von Steuerung und Information, Wechselwirkung von Informationsströmen.- 11.2 Software-Hierarchie der Informatorischen Steuerung.- Gespeicherter Auftrag, Gespeicherte Anwendung, Gespeicherter Dienst.- 11.3 Firm- und Hardware-Hierarchie der Informatorischen Steuerung.- Gespeichertes Programm, Gespeicherte Funktion.- 11.4 Informatorisch gespeicherte Systemstruktur.- Gespeicherte Struktur.- 11.5 Schlußsatz.- AI. Abbildungssymbol.- A2. Literaturverzeichnis mit Bildquellen.- A3. Fach ausdrücke Deutsch/Englisch.- A4. Fachausdrücke Englisch/Deutsch.- A5 Namen- und Sachverzeichnis.