Rechnerarchitektur, Betriebssysteme, Rechnernetze

Heinz-Peter Gumm, Manfred Sommer

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2017
• ISBN drucken: 9783110442359
• eBook-ISBN: 9783110434422
• Auflage: 1
• Thema: Informatik
• Thema: Informationstechnologie

Die drei Teile der "Informatik - Einführung" decken alle Inhalte des kompletten Informatik-Bachelorstudiums ab. Die einzelnen Teile sind auf die Inhalte der einzelnen Semester abgestimmt. Jeder Teil liefert unabhängig die Grundlagen für die jeweiligen Themen. Durch seinen didaktischen Aufbau mit Aufgaben ist das Buch auf die Bachelorstudierenden abgestimmt. Durch seine anschauliche Darstellund sowie Beispiele aus der Praxis holt es die Einsteiger bei deren Wissensstand ab. Der Teil zwei widmet sich Rechnerarchitektur von boolscher Algebra und Digitaler Logik bis Risc-Architekturen sowie der Architektur der Intel-PC-Mikroprozessorfamile. Grundlegende Kenntnisse der Betriebssysteme werden beispielhaft an Unix und Windows vertieft. Rechnernetze werden anhand der verschiedenen Technologien und Protokollen erläutert.

Der erste Band der Informatik erklärt die grundlegenden Konzepte: Programmierung, Algorithmen und Datenstrukturen. Der dritte und letzte Band der Buchreihe Informatik ist der Theoretischen Informatik gewidmet.

Das Buch richtet sich an alle Einsteiger, die sich ernsthaft mit Informatik beschäftigen wollen, sei es zum Selbststudium oder zur Begleitung von Vorlesungen. In den folgenden Bänden dieses Buches werden die Themen, Rechnerarchitektur, Betriebssysteme, Rechnernetze, Internet, Compilerbau und Theoretische Informatik vertieft.

Prof. Dr. Heinz-Peter Gumm

ist Professor für Theoretische Informatik in Marburg. Nach dem Studium in Darmstadt und Winnipeg (Kanada) von 1970 bis 1975 und der Habilitation 1981 folgten Professuren in Hawaii, Kalifornien und New York. Seine Forschungsgebiete sind Formale Methoden, Allgemeine Algebren und Coalgebren.

Prof. Dr. Manfred Sommer

ist emeritierter Professor für Praktische Informatik in Marburg. Nach dem Studium in Göttingen und München von 1964 bis 1969, war er Assistent am ersten Informatik-Institut in Deutschland an der TU München. Es folgten zehn Jahre bei Siemens in München und von 1984 bis 2014 war er Informatik-Professor in Marburg.

Kapitel 1

Rechnerarchitektur

Computer bestehen aus ein oder mehreren Zentraleinheiten (engl. Central Processing Units, kurz CPUs), einem Arbeitsspeicher (engl. Random Access Memory, kurz RAM) und Peripheriegeräten. Alle diese Teile sind hochkomplexe Schaltkreise, die hauptsächlich aus Transistoren aufgebaut sind. Transistoren werden hier als elektrisch gesteuerte Ein-Aus-Schalter eingesetzt. Durch geschickte Kombination vieler solcher Schalter entstehen Schaltkreise, die jedes gewünschte Verhalten realisieren können. Die boolesche Algebra, die wir in der ersten Hälfte dieses Kapitels kennen lernen, erlaubt es uns, zu einer beliebigen Schaltaufgabe einen entsprechenden Schaltkreis auszurechnen. Damit ausgerüstet zeigen wir, wie die wichtigsten Bauelemente eines Rechners, nämlich ALU (engl. Arithmetic Logic Unit, kurz ALU) und Speicher, aus einfacheren Schaltkreisen aufgebaut werden können. Aus diesen konstruieren wir danach eine mikroprogrammierte CPU und vollziehen damit den Übergang von der Hard- zur Software. Wir verfolgen diesen bis zum Maschinencode und Assembler und diskutieren anschließend noch RISC (engl. Reduced Instruction Set Computer) als alternative CPU-Architekturen.

Dieses Kapitel erläutert also prinzipiell, wie durch geschickte Kombination von Transistoren ein komplexes Gerät wie ein PC entsteht. Wenn man wollte, könnte man Transistoren auch durch optische Schalter ersetzen und mit den gleichen Prinzipien einen optischen Computer konstruieren. Durch die schnelleren Umschaltzeiten optischer Bauteile darf man sich einen erheblichen Geschwindigkeitsgewinn erhoffen. Allerdings sind optische Schalter heute noch nicht so einfach zu realisieren wie Transistoren. Insbesondere ist eine technische Lösung für die Zusammenfassung (Integration) von Tausenden oder gar Millionen optischer Bauelemente auf einem Chip noch in weiter Ferne. Heute ist die CMOS-Technik in der Realisierung von Transistorschaltungen führend. Wir werden lernen, wie sich in dieser Technik besonders leistungsfähige Bauelemente entwerfen und realisieren lassen. Auch einige Aspekte der Herstellung elektronischer Chips wollen wir in diesem Kapitel beleuchten.

1.1Vom Transistor zum Chip

Das für uns wichtigste elektronische Bauelement ist der so genannte MOS-Transistor. MOS ist die Abkürzung für den englischen Begriff metal oxide semiconductor (Metalloxid-Halbleiter). Es gibt verschiedene Arten von MOS-Transistoren, alle sind, wie auch in Abb. 1.1 zu sehen, aus mehreren Materialschichten aufgebaut. Ausgangspunkt ist kristallines Silizium, das durch Einbringung von Fremdatomen dotiert (verunreinigt) ist. Man unterscheidet zwischen n-dotiertem und p-dotiertem Silizium. Im ersten Fall entsteht durch die Fremdatome ein Elektronenüberschuss und damit freie negative Ladungsträger, im Falle von p-dotiertem Silizium ein Mangel an Elektronen, was man als freie positive Ladungsträger interpretieren kann.

Abb. 1.1. n-MOS und p-MOS Transistor auf gemeinsamem p-Substrat

Zwischen den p- und n-dotierten Bereichen bilden sich Grenzschichten aus, in denen der Elektronenüberschuss der n-Schicht den Elektronenmangel der angrenzenden p-Schicht ausgleicht. Dadurch entsteht eine neutrale Zone, in der keine freien Ladungsträger vorhanden sind, so dass diese als Isolator wirkt. Eine zwischen den mit Source und Drain bezeichneten stark dotierten Bereichen (n+, bzw. p+) angelegte Spannung bewirkt daher keinen Stromfluss.

Hier kommt der in der obigen Figur als Gate bezeichnete metallische Kontakt ins Spiel, der durch einen Isolator (SiO) von der schwach p-dotierten Schicht (p) getrennt ist. Legt man eine positive Spannung zwischen Gate und Source an, so lädt sich das Gate positiv auf. Wird dabei ein gewisser Schwellwert überschritten, so wird in dem p-dotierten Bereich unter dem Gate ein elektrisch leitender Kanal aus negativen Ladungsträgern induziert. Eine ausreichende Spannung am Gate schaltet somit eine elektrische Verbindung zwischen Source und Drain; fällt diese Spannung unter einen Schwellwert, so wird die Verbindung wieder unterbrochen.

Wenn man in der obigen Erklärung die n-dotierten und p-dotierten Bereiche austauscht, erhält man einen p-MOS Transistor. Eine negative Spannung am Gate induziert im n-Substrat einen Kanal positiver Ladungsträger. Da sowohl n-MOS als auch p-MOS Transistoren auf dem gleichen Substrat aufgebracht werden müssen, fertigt man zunächst eine in das p-Substrat eingelassene n-Wanne, in der man dann den p-MOS Transistor aufbaut. Im Schaltbild wird der p-MOS Transistor durch einen kleinen Kreis am Gate kenntlich gemacht.

Abb. 1.2. Schaltbilder für n-MOS und p-MOS Transistoren

Für uns ist einstweilen nur diese Schalterwirkung der Transistoren von Interesse. Dies soll auch in den symbolischen Schaltbildern zum Ausdruck kommen. Steigt die Spannung zwischen Gate und Source über einen Schwellwert, dann schaltet ...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Inhalt
• Vorwort
• 1 Rechnerarchitektur
• 2 Betriebssysteme
• 3 Rechnernetze
• 4 Das Internet
• Literatur
• Stichwortverzeichnis