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Schematischer Aufbau eines Rechners

Zunächst betrachten wir den schematischen Aufbau eines Rechners. In Abbildung [*] wird dieser dargestellt.

Figure: Schematischer Aufbau eines Rechners
\begin{figure}\begin{center} \epsfxsize10cm \epsfbox{Modellmaschine} \end{center}\end{figure}

Die Komponenten des schematischen Aufbaus sind verschiedenen Rechnerkerne (RK1, RK2, ...), der Arbeitsspeicher (Hauptspeicher), die Eingabe/Aufgabe-Prozessoren (EAP1 EAP5, ...), der Bus zuzüglich der Leitungen für Unterbrechungswünsche, die Gerätesteuerungen GS und die Geräte G. Die Uhr wird wie ein externes Gerät behandelt. Wir wollen uns nun die Komponenten etwas genauer ansehen:

Rechnerkern:
In den Rechnerkernen werden die Maschinenbefehle der Anwenderprogramme und des Betriebssystem ausgeführt. Rechnerkerne verfügen über zwei Arbeitsmodi: Benutzermodus und Systemmodus. Während im Systemmodus privilegierte und nichtprivilegierte Befehle verfügbar sind, sind im Benutzermodus nur die nichtprivilegierte Befehle verfügbar. Privilegierte Befehle sind der Basis der Zugriffsschutzes. Der Zugriff auf Hardwarekomponenten kann daher nur durch privilegierte Befehle erfolgen.

Während ein PC in der Regel nur einen Rechnerkern (Prozessor) enthält, enthalten Workstations und Server bis zu 10 Rechnerkerne. Hochleistungsrechner können auch mehrere Tausend Rechnerkerne enthalten. Da sich die im Rahmen dieser Vorlesung betrachteten Mehrbenutzer/Mehrprozess-Betriebssysteme unabhängig von der Anzahl der Prozessoren sehr ähnlich verhalten, werden wir auf den Unterschied zwischen Einprozessor- und Mehrprozessorarchitekturen nicht weiter eingehen.

Arbeitsspeicher/Speicheradressen:
der Arbeitsspeicher wir oft auch als RAM (random access memory) bezeichnet. Es handelt sich um Speicher mit wahlfreiem Zugriff. Es kann auf jede Adresse einzeln zugegriffen werden und nicht nur auf ganze Blöcke wie z.B. bei einer Festplatte.

Die kleinste adressierbare Speichereinheit ist in der Regel ein Byte (8-stellige Binärzahl).

E/A-Prozessoren:
Die E/A-Prozessoren stellen Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen zum Anschluss von Geräten bereit. Beispielsweise beinhaltet die Grafikkarte den E/A-Prozessor für den Bildschirm.

Wie in Abbildung [*] zu sehen, gibt es verschiedenen Möglichkeiten E/A-Prozessoren mit Geräten zu kombinieren:

Unterbrechungen (Interrupts):
, In einem Rechnersystem erfolgen viele Vorgänge parallel. Beispielsweise arbeiten die Rechnerkerne und die E/A-Prozessoren gleichzeitig. Wenn nun ein Ereignis eintritt auf das der Rechnerkern reagieren muss, so wird die Arbeit des Rechnerkerns unterbrochen. Beispielsweise kann die Zeitquantum abgelaufen sein, das für den aktuellen Prozess vorgesehen war (vgl. Kapitel [*] CPU-Prozess-Scheduling)
Bus:
Die Prozessoren sind untereinander und mit dem Arbeitsspeicher über einen Bus verbunden. Ein Bus besteht aus einem Bündel von Leitungen, über die Daten, Adressen, Unterbrechungswünsche und andere Steuersignale gesandt werden.

Die Zahl der Leitungen hängt von der Anzahl der Binärdaten die gleichzeitig versandt werden sollen ab. Beispielsweise könnte ein Bus wie folgt aussehen:

32 Datenleitungen für ein Datenwort von 32 Bit Länge
28 Adressleitungen für die Adressierung von $2^{28}$ = 256 MB Speicher
12 Steuerleitungen, beispielsweise:

2 Leitungen zur Stromversorgung

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Prof. Dr. Pluemicke 2003-05-10