Table Of ContentComputersysteme -
Aufbau und Funkfionsweise
Helmut Schauer
Springer-Verlag Wien New York
Univ.-Doz. Dipl.-Ing. Dr. techno Helmut Schauer
Institut flir Praktische Infonnatik der Technischen Universitat Wien
Zweite, erganzte und verbesserte Auflage von
Einflihrung in die Datenverarbeitung
Aufbau und Funktionsweise von Computer-Systemen
von Helmut Schauer
Wien-New York: Springer-Verlag 1976
© 1976 by Springer-VerlagJWien
ISBN-13: 978-3-211-81782-7 e-ISBN-13: 978-3-7091-8734-0
DOl: 10.1007/978-3-7091-8734-0
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt.
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insbesondere die der tlbersetzung, des Nachdruckes,
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bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.
© 1983 by Springer-VerlagJWien
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1983
Reproduktion und Offsetdruck: Novographic, Ing. Wolfgang Schmid, A-1230 Wien
Mit 193 Abbildungen
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Schauer, Helmut:
Computersysteme - Autbau und Funktionsweise I Helmut
Schauer. - 2., erg. u. erw. Aufl. von Einflihrung in
die Datenverarbeitung von Helmut Schauer. - Wien ;
New York: Springer, 1983.
ISBN-13: 978-3-211-81782-7
Geleitwort
Seit mehr als einem Vierteljahrhundert beeinflul1t der Computer unser Leben
auf mannigfaitige Weise. Abgesehen von den heute schon selbstverstandlichen
Anwendungen in Verwaitung, Wirtschaft und Technik hat der Computer auch
in Wissenschaft und Forschung seinen festen Platz eingenommen.
Viel wichtiger als diese passive Rolle als Hilfsmittel scheint mir jedoch die
stimulierende Wirkung, die das Gedankengut der Informatik auf samtliche
anderen Wissensgebiete ausiibt. Erst der Computer gab Anstol1 ftiT die Behand
lung allgemeiner Fragen, wie etwa der Methodik des Planens und Handelns
oder der Organisation komplexer Systeme. Die dadurch gewonnenen Erkennt
nisse kannen auch in vielen anderen Disziplinen angewandt werden. Mage
dieses Buch einen Beitrag dazu leisten, dal1 bei einem wei ten Leserkreis Inter
esse fUr dieses neue Wissensgebiet geweckt wird.
Manfred Brockhaus
Vorwort
Dieses Buch ist aus· meiner "Einflihrung in die Datenverarbeitung", erschienen
1976, hervorgegangen. Es wendet sieh sowohl an Studierende der Informatik
und aller anderen Studienrichtungen, die in irgendeiner Form mit Datenver
arbeitung konfrontiert sind, als auch an all jene, die beruflich mit Computem
zu tun haben und ihre praktische Erfahrung auf eine Basis fundierter Allgemein
kenntnisse stellen wollen.
In der vorliegenden Darstellung wurde der rasanten technologischen Entwicklung
von Computersystemen in den letzten Jahren Rechnung getragen; die Kapitel
fiber den Aufbau von Prozessoren, Speiehem und peripheren Gerliten wurden
dem letzten Stand. der Technik angep~t. Insbesondere Mikroprozessoren und
Kleincomputer mit den angeschlossenen Bildschirmen, Diskettenstationen,
Winchesterplatten und Druckem werden berucksiehtigt. Besonderer Wert wird
auf die Erlliuterung der zugehorigen Fachbegriffe gelegt, die auch im Glossar
zusammengestellt sind.
1m Gegensatz zu vielen anderen Einflihrungen ist der Aufbau des Stoffes streng
induktiv, also vom Konkreten ausgehend zu allgemeinen Prinzipien hinflihrend.
In diesem Sinn werden logische Schaltkreise zu klein en Bauelementen und diese
wieder zu einem einfachen Computer-Modell zusammengesetzt. Durch den
Anschlufl von Ein/Ausgabegerliten und peripheren Speichem wird das Bild fiber
die Hardware abgerundet. 1m nlichsten Schritt werden die organisatorischen
Probleme der Benutzung der einzelnen Hardwarekomponenten aus der Sieht
des Betriebssystems behandelt. Das abschlieflende Kapitel fiber Informations
theorie gibt Einblick in die Darstellung und Obertragung von Information, auf
der letztlich aIle Vorglinge innerhalb des Computer-Systems beruhen.
Der Text ist durch zahlreiche anschauIiche Beispiele erglinzt. Querverbindungen
zwischen einzelnen Abschnitten beziehungsweise Querverbindungen zu anderen
Fachgebieten werden besonders hervorgehoben. AIle wichtigen Fachbegriffe
sind im Glossar defmiert und erlliutert. Auch die Tabelle der Potenzen und
Logarithmen von Zwei werden viele Leser zu schlitz en wissen.
Abgesehen von elementarer Mathematik werden vom Leser keinerlei Vorkennt
nisse vorausgesetzt. Damit ist das Buch auch zum Selbststudium geeignet.
Bine Sammlung von Obungsaufgaben und deren Losungen, die in Kiirze als
selbstlindiges Buch erscheinen wird, solI die im Text ausgeflihrten Beispiele
erglinzen und wird insbesondere die Verwendung des Buches als Lehrbehelf,
aber auch das Selbststudium unterstfitzen.
VIII Vorwort
Der Inhalt entspricht im wesentlichen der Vorlesung "Einftihrung in die
Infonnatik I", wie sie in den letzten Jahren an der Technischen UniversWit
Wien gehalten wurde. Mein Dank gebOhrt in erster Linie allen Horern dieser
Vorlesung, die das Manuskript einer kritischen Priifung unterzogen haben,
sowie den beiden Damen Christine Otto und Maria Rotheneder fliT das Schreiben
des Textes und Anfertigen der Zeichnungen. FUr die Mithilfe bei der Neuge
staltung des Buches danke ich Herrn Werner Dietmiiller, der auch mehrere
Skizzen mit Hilfe des "Lisa"-Computersystems von Apple angefertigt hat,
sowie Frau Claudia Hainschink fliT das Schreiben der neuen Texte. Nicht zuletzt
danke ich dem Springer-Verlag in Wien flir die freundliche Bereitschaft, das Buch
in geanderter Fonn neu aufzulegen.
Wien, im August 1983 Helmut Schauer
Inhal tsverzeichnis
Einfiihrung ................................................... 1
Zahlendarstellung .............................................. 2
Zahlensysteme ................................................ 3
Zahlenumwandlung ............................................. 6
S SchaltaIgebra
S 1 Grundbegriffe 9
S 2 Rechenregeln 17
S 3 Schaltfunktionen ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
S 3.1 Disjunktive und konjunktive Nonnalfonn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
S 3.2 Graphische Minimisierung ............................... 26
S 3.3 Schaltfunktionen mit zwei Eingangsvariablen .................. 30
S 4 Sequentielle Schaltalgebra .................................... 36
S 5 Automaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
S 6 Grenzen der Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62
A Aufbau digitaIer Rechenanlagen
A 1 Einfiihrung .............................................. 63
A 1.1 Register ........................................... 63
A 1.2 Addierwerk ........................................ 64
A 1.3 Multiplikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68
A 1.4 Division ........................................... 71
A 1.5 Einfaches Rechnermodell ............................... 74
A 1.5.1 Maschinenbefehle .............................. 76
A 1.5.2 Direkte und indirekte Operanden .................... 83
A 1.5.3 Programmwiederholungen ......................... 85
A 1.5.4 Programmverzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94
A 1.5.5 Indizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97
A 1.5.6 Assembleranweisungen ........................... 100
A 1.5.7 Unterprogramme ............................... 104
A 1.5.8 Programmunterbrechungen ........................ 112
A 2 Hardware ............................................... 114
A 2.1 Zentraleinheit ....................................... 115
A 2.1.1 Arbeitsspeicher ................................ 115
A 2.1.2 Prozessor .................................... 119
A 2.1.3 Mikroprozessor ................................ 123
x Inhaltsverzeichnis
A 2.2 Externe Speicher ..................................... 124
A 2.2.1 Magnetbandspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125
A 2.2.2 Magnetplattenspeicher ........................... 131
A 2.2.3 Disketten .................................... 134
A 2.2.4 Optische Speicher .............................. 136
A 2.2.5 Vergleich .................................... 137
A 2.3 Dialoggeriite ........................................ 138
A 2.4 Drucker ........................................... 144
A 2.5 Graphische Ein-/Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
A 2.6 Belegleser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . " 147
A 2.7 Verbindung zwischen Peripherie und Zentraleinheit .............. 149
A 2.7.1 Steuereinheit ................................. 150
A 2.7.2 Peripherer Prozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
A 2.8 Rechnernetze ....................................... 153
B Betriebssysteme
B 1 Ein/Ausgabeorganisation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
B 1.1 Pufferung.......................................... 156
B 1.2 Blockung .......................................... 158
B 1.3 Organisationsformen von Dateien .......................... 160
B 1.3.1 Sequentieller Zugriff ............................ 160
B 1.3.2 Direkter Zugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162
B 1.3.3 Indexsequentieller Zugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164
B 2 Laden und Binden von Programmen ............................. 166
B 2.1 Absolutlader........................................ 166
B 2.2 Relativlader ........................................ 167
B 2.3 Binder ............................................ 169
B 2.4 Programmbibliothek................................... 170
B 2.5 Segmentierung ...................................... 171
B 3 Obersetzungsprogramme ..................................... 171
B 4 Job-Managment .......................................... , 173
B 4.1 Stapelverarbeitung (Batch-Processing) ....................... 175
B 4.2 Multiprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 178
C Codes und Informationstheorie
C 1 Grundbegriffe ............................................ 192
C 2 Codierung .............................................. 196
C 3 Informationstheorie ........................................ 207
C 4 Codierung analoger Signale ................................... 222
C 5 Codesicherulig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226
C 6 Zahlendarstellung ......................................... 231
C 6.1 Darstellung ganzer Zahlen ............................... 231
C 6.2 Darstellung negativer Zahlen ............................. 235
C 6.3 Festkornmadarstellung ................................. 239
C 6.4 Gleitkornmadarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240
Glossar ..................................................... 250
Symbole .................................................... 269
Tabellen . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 270
EINFOHRUNG
Heutige Computersysteme sind aus einer sol chen Unzahl von
Einzelelementen zusammengesetzt, daB ihr Aufbau und ihre
funktionelle Wirkungsweise nur beschrieben werden konnen, indem
diese Einzelteile konzeptuell zu kleinen Bauelementen zusammen
gefaBt werden, und deren Wirkungsweise erkl~rt wird. Diese
Bauelemente bilden selbst wieder die Einzelbestandteile von
Elementen in einer Ubergeordneten Stufe und so fort. Nur durch
eine solche gedankliche Strukturierung ist das Verst~ndnis der
komplexen Computerhardware moglich.
1m folgenden Abschnitt wird versucht, von einfachen Grund
begriffen ausgehend die schaltalgebraischen Grundlagen fUr
das Verst~ndnis einfacher logischer Netzwerke darzulegen.
Mit diesen Grundlagen gelingt es Schaltungen zu konstruieren,
die als Bauelemente eines einfachen Rechnermodells verwendet
werden. Dieses Modell wird danach in weiteren Schritten zu
einem immer komplexeren Computersystem ausgebaut.
2
ZAHLENDARSTELLUNG
Zahlenwerte konnen in analoger oder in digitaler Form dar
gestellt werden. Die ana loge Zahlendarstellung erfolgt durch
eine physikalische GraBe, die dem Zahlenwert proportional ist.
z.B. Darzustellender physikal1sche
Zahlenwert GraBe
Uhrzeit Winkels tel lung der Uhrzeiger
Temperatur Lange der Quecksilbersaule
Bei der analogen Zahlendarstellung kann innerhalb des darzu
stellenden Zahlenbereiches jeder beliebige Zwischenwert auf
treten. Die Genauigkeit der Darstellung und der Ablesung ist
nur durch die physikalischen Umstande beschr!nkt.
Typisches Beispiel fur eine Rechenanlage mit analoger Zahlen
darstellung ist der Rechenschieber. Die Zahlen werden durch
Langen im logarithmischen MaBstab dargestellt, jeder Wert kann
im Prinzip beliebig genau eingestellt werden.
In elektronischen Analogrechenanlagen werden die Zahlen durch
elektrische Spannungen dargestellt, die den Zahlenwerten
proportional sind. Rechenoperationen werden durch entsprechende
elektronische Schaltungen ausgefuhrt, die Ergebnisse konnen auf
einem Bildschirm (Kathodenstrahlrohre) oder graphisch - ebenfalls
in analoger Form - sichtbar gemacht werden. Verwendung vorwiegend
fur die Untersuchung von zeitlich kontinuierlich ver!nderbaren
GraBen (Differentialgleichungen). Analogrechenanlagen werden
hier nicht behandelt.
Bei der digitalen (ziffernweisen) Zahlendarstellung wird die
Zahl durch ihre einzelnen Zif.fern dargestellt.
z.B. Uhrzeit bei einer Digitaluhr durch Stunden (zwei Ziffern)
und Minuten (zwei Ziffern)
Geldbetrag bei einer Registrierkasse
(Zahnrader fur die einzelnen Ziffern)
Die Genauigkeit der digitalen Zahlendarstellung hangt von der
