Die ReAl-Computerarchitektur

  Theorie

Jede digitale informationsverarbeitende Einrichtung läßt sich auf Speichermittel (Flipflops, Register, Speicherzellen) und kombinatorische Schaltungen (Funktionszuordner) zurückführen (Abb. 1); sie ist durch die Speichermittel und durch die Booleschen Gleichungen, die die Wirkungsweise der Funktionszuordner beschreiben, in funktioneller Hinsicht vollständig bestimmt. Die Ressourcen können deshalb ohne Beschränkung der Allgemeinheit durch einfache Register-Transfer-Darstellungen veranschaulicht werden. Die Booleschen Gleichungen, die die in der Informatik üblichen grundlegenden Informationswandlungen beschreiben, gehören zum allgemeinen Fachwissen. Es gibt eigens formale Entwurfssprachen, um entsprechende Register-Transfer-Strukturen zu erfassen.

Abb. 1   Die Register-Transfer-Struktur. RG = Register; FZ = Funktionszuordner (kombinatorische Schaltungen).

 Ressourcen als Register-Transfer-Strukturen

Einfache Ressourcen bestehen aus Registern, die die Operanden und die Ergebnisse aufnehmen, sowie aus zwischengeordneten kombinatorischen Schaltungen (Funktionszuordnern).

Elementare Ressourcen (Abb. 2a) bilden beispielsweise aus zwei Operanden (A, B) ein einziges Ergebnis (X):

X := A OP B bzw. X := OP (A, B)

Die meisten Verarbeitungsbefehle der typischen Universalrechner entsprechen diesem Schema (die Unterschiede liegen vor allem in der Art und Weise der Bereitstellung der Operanden und der Zuweisung des Ergebnisses). Die üblichen Rechenwerke und Arithmetik-Logik-Einheiten (ALUs) können als Beispiele solcher elementaren Ressourcen angesehen werden.

Die üblichen Universalrechner kennen nur wenige elementare Datentypen, z. B. ganze Binärzahlen, Gleitkommazahlen, Zeichen usw., wobei zumeist jeweils mehrere Formate unterstützt werden (z. B. 16, 32 und 64 Bits). Ein Rechenwerk verarbeitet meist nur Daten eines bestimmten Typs (z. B. ganze Binärzahlen oder Gleitkommazahlen). Bei elementaren Verknüpfungen haben Operanden und Ergebnis das jeweils gleiche Format.

Im allgemeinen Sinne gibt es keine solchen Einschränkungen. Eine Ressource kann aus beliebig vielen Operanden beliebig viele Ergebnisse bilden, wobei Operanden und Ergebnisse beliebigen Datentypen und -formaten entsprechen dürfen (Abb. 2b und 3). Es gibt auch keine Beschränkung auf elementare Datentypen. Die Datentypen dürfen vielmehr beliebig komplex sein (Bit- und Zeichenketten, Felder (Arrays), heterogene Strukturen (Records) usw.).

Abb. 2   Einfachste Modelle einer Ressource. a) aus zwei Operanden entsteht ein Ergebnis; b) aus drei Operanden werden zwei Ergebnisse gebildet.

Abb. 3  Ressourcen können beliebig kompliziert sein (beliebig viele Operanden und Ergebnissse beliebiger Art).

Der typische herkömmliche Universalrechner führt einen Befehl zu einer Zeit aus (Einzelprozessor). Hierzu genügt eine einzige Verarbeitungsressource. Es liegt nahe, durch Anordnung mehrerer Verarbeitungsressourcen die Verarbeitungsleistung zu steigern. Mehrere Ressourcen, die voneineinander unabhängig sind (Abb. 4), versprechen größtmögliche Vielseitigkeit. Es bleibt aber das Problem, sie mit Operanden (Parametern) zu versorgen und die Ergebnisse abzutransportieren.

Eine Lösung besteht darin, die Ressourcen gemäß den am häufigsten vorkommenden Datenflüssen so miteinander zu verbinden, daß ein bestimmtes Ergebnis der einen Ressource unmittelbar zum Operanden anderer Ressourcen werden kann (Verkettung; Abb. 5).

Eine alternative Lösung sieht den Anschluß der Ressourcen an einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) vor (Abb. 1.6). Der einzelne Verarbeitungsablauf unterteilt sich dann in drei Zeitabschnitte:

1.   Transport der Operanden zu den Ressourcen,

2.   Verarbeitung innerhalb der Ressourcen (in allen gleichzeitig),

3.   Transport der Ergebnisse in den Speicher.

Ressourcen als Hard- oder Software

Den Operanden- und Ergebnisregistern der Hardware entspricht ein Speicherbereich mit Speicherzellen für die Parameter und Ergebnisse, den kombinatorischen Netwerken (Funktionszuordnern) entsprechen Programmabläufe, die die jeweiligen Informationswandlungen ausführen (Abb. 7). Um die Operationen der Ressourcen softwareseitig nachzubilden (Emulation), sind oft zusätzliche Arbeitsbereiche erforderlich.

Abb. 4   Mehrere unabhängige Ressourcen.

Abb. 5   Miteinander verbundene (verkettete) Ressourcen.

Abb. 6 Mehrere uanbhängige Ressourcen werden von einem Speicher aus mit Operanden versorgt. Die Ergebnisse werden in den Speicher zurückgeschrieben.

Abb. 7 Wechselseitiger Austausch von Hard- und Software (anhand von zwei Beispielen).