Beschreibung
Technische Systemprodukte sind heutzutage ohne den Einsatz von Mikroelektro nik und Mikroprozessoren nicht mehr vorstellbar. Der Mikroprozessoreinsatz reicht dabei von spezialisierten Einzelprozessoren, wie z.B. Microcontrollern, bis zu großen Prozessorsystemen, bei denen viele Prozessoren eine Gesamtaufgabe gemeinsam be arbeiten (Multiprozessoren). Im Rahmen einer seit nunmehr drei Jahren durchge führten Lehrveranstaltung wird versucht, in Ergänzung einer Mikroprozessorgrund ausbildung, moderne Mikroprozessor-und Rechnertechnologie zu vermitteln. Dabei liegt der Schwerpunkt nicht bei Hochleistungsrechnern für numerische Anwendun gen. Ziel ist vielmehr das Rechnersystem als Teil von technischen Systemen, wie z.B. Prozeßsteuer- und -überwachungssysteme, Maschinen- und Robotersteuerungen, Verkehrsleitsysteme, Meßsysteme, diagnostische Systeme der Medizintechnik oder Systeme der digitalen Kommunikationstechnik. Die Entwicklung solcher Multiprozessorsysteme muß mit der Lösung von Archi tekturproblemen starten und auf der Basis eines soliden Grundwissens über Imple mentierungsaspekte zur Realisierung des Entwurfsziels gelangen. Die durchgeführ te Lehrveranstaltung folgt diesem Top-Down-Ansatz. Da hierfür kaum Lehrbücher verfügbar sind, wurden den Studenten ursprünglich Arbeitsunterlagen zur Selbstver vielfältigung zur Verfügung gestellt. Aus ihrem Wunsch, den Lehrveranstaltungsstoff nacharbeiten zu können, entstand ein rudimentäres Manuskript, das zu dem vorlie genden kleinen Buch ausgebaut wurde.
Autorenporträt
Inhaltsangabe1 Einführung.- 1.1 Motivation und Anwendungsgebiete.- 1.1.1 Rechneranwendungsgebiete.- Klassischer Computerbereich.- Großrechnerbereich.- Rechnereinsatz in technischen Systemen.- 1.1.2 Motivation für Multiprozessorsysteme.- Technologisches und wirtschaftliches Potential.- Realtime Systeme.- 1.2 Rechnerarchitekturen und Verbindungsstrukturen.- 1.2.1 Taxonomie von Rechnerarchitekturen.- Der Taxonomiebegriff.- Klassifikation nach Flynn.- 1.2.2 Verbindungsstrukturen.- Multiprozessormodule und allgemeine Struktur.- Gemeinsam genutzte Verbindungen.- Punkt-zu-Punkt Verbindungsnetzwerke.- 1.2.3 Einige Begriffserklärungen.- Prozessor und Verarbeihmgselement.- Enge- und lose Kopplung.- 1.3 Literatur.- 1.3.1 Bücher.- 1.3.2 Einzelartikel.- 2 Systemzuverlässigkeit.- 2.1 Einführung.- 2.1.1 Zuverlässigkeitskriterien.- Subjektive Zuverlässigkeit.- Objektive Zuverlässigkeit.- Systemunzulänglichkeiten.- 2.1.2 Bewertung von Zuverlässigkeit.- Ausfallrate.- Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit.- Nichtreparierbare Systeme.- Reparierbare Systeme.- 2.2 Anforderungen und Realisierungsprinzipien.- 2.2.1 Anforderungen.- Zuverlässigkeits-/Verläßlichkeitsanforderungen.- 2.2.2 Maßnahmen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit.- Fehlertoleranzgrundsätze.- Fehlertoleranzmethoden.- Redundanz.- 2.2.3 Bewertung von Fehlertoleranztechniken.- 2.3 Beispiele.- 2.3.1 Modul- und Submodulredundanz.- Systemmodellierung.- Ergebnisvergleich.- 2.3.2 Codegeschütztes Speichersystem.- Systembeschreibung.- Ausfallmodell.- Redundanztechniken.- Zuverlässigkeitsmodell.- Berechnungsbeispiel.- 2.4 Literatur.- 2.4.1 Bücher.- 2.4.2 Einzelartikel.- 3 Konzepte der Parallelverarbeitung.- 3.1 Multitasking als Entwurfsmethode.- 3.1.1 Meßwerterfassung als einfaches Beispiel.- Problemstellung.- Sequentielle Problemlösung.- Multitasking Lösung.- 3.1.2 Parallelisierbarkeit von Tasks.- Parallelisierbarkeitsbedingungen.- Beispiel einer Parallelisierbarkeitsanalyse.- Präzedenzgraph.- Scheduling.- 3.2 Hilfsmittel.- 3.2.1 Tasksynchronisation.- 3.2.2 Petrinetze.- Ein Petrinetzbeispiel.- 3.3 Literatur.- 3.3.1 Bücher.- 3.3.2 Einzelartikel.- 4 Leistungsabschätzung.- 4.1 Einführung.- 4.1.1 Aufgabenstellung.- 4.1.2 Methoden.- Verkehrstheorie.- Messungen.- Modellbildung.- 4.2 Leistungsanalyseeng gekoppelter Multiprozessorsysteme.- 4.2.1 Modellbildung.- Organisation.- Funktionsabstraktion.- Einzelprozessorsystem.- Multiprozessorsystem.- Sättigungsbedingung.- 4.2.2 Analyse eines 68000-Multiprozessorsystems.- Modellbildung.- Eigenschaften des 68000-Prozessors.- Minimale Befehlslänge.- Maximale Befehlslänge.- Mittelwert der Befehlslänge.- 4.3 Maßnahmen zur Leistungssteigerung.- 4.3.1 Leistungssteigerung durch Cache-Speicher.- 4.3.2 Leistungssteigerung durch Lokalspeicher.- Grundprinzip.- Lokalspeichereffekte.- 4.4 Literaturverzeichnis.- 4.4.1 Bücher.- 4.4.2 Einzelartikel.- 5 Cache Speicher.- 5.1 Funktionsprinzip.- 5.1.1 Direct mapped Cache.- Struktur des Cache.- Ablauf eines Lesezugriffes bei HIT.- Ablauf eines Lesezugriffs bei MISS.- Ablauf eines Schreibzugriffes.- 5.1.2 Software-Einflüsse.- Physikalischer Cache.- 5.1.3 Logischer Cache.- Softwareprobleme beim logischen Cache.- 5.1.4 Nachteile des physikalischen Caches.- 5.2 Andere Cache Strukturen.- 5.2.1 Assoziativer Cache.- 5.2.2 Set assoziativer Cache.- Probleme von direct mapped Caches.- Abhilfe durch mehrfache Caches.- Aufbau eines 2-Way-Set-Assoziativ-Caches.- 5.3 Cache Speicher in eng gekoppelten Multiprozessorsystemen.- 5.3.1 Cache Kohärenz.- 5.3.2 Kohärenzstrategien.- Instruction-Only-Cache.- Bus-Watch-Controller.- Write Once Protokoll.- 5.3.3 Block Ownership Protokolle.- Das Synapse Protokoll.- Ein VMEbus Block Ownership Protokoll.- 5.4 Cache Performance.- 5.4.1 Beurteilungskriterien.- Effektive Speicherzugriffszeit bei Lesezyklen.- Speicherzugriffszeit bei Lese- und Schreibzugriffen.- 5.4.2 Cache-Dimensionierung und Hitrate.- Effekt der Blockgröße.- Effekt der Kohärenz-Strategie auf den Busverkehr.- Effekt der Set-Assoziativität auf den Busverkehr.- 5
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