Einleitung

Die Digitalisierung all unserer Lebensbereiche bedingt, dass Computer unser Leben in einem nie dagewesenen Umfang beeinflussen. Zu keiner Zeit war die Abhängigkeit von funktionierenden Rechnersystemen größer als heutzutage. Betrachten Sie Ihr Arbeitsleben, Ihre Umgebung oder Ihre Privatsphäre.

Es ist nun fast unmöglich, einen technischen Gegenstand zu finden, in dem kein Computer eingebaut ist. Von den mechanischen Uhren mal abgesehen; Smart Watch, Fitnessarmbänder, Kaffeeautomaten, Blue-Ray-Player, Smart-TVs, Anti-Blockiersysteme, Navigationssysteme und vieles mehr. Alles funktioniert nur deshalb, weil sich im Inneren dieser Systeme kleine Rechner befinden, die die gewünschte Funktionalität unsichtbar für den Nutzer erbringen. Auch die Trendthemen Industrie 4.0, Künstliche Intelligenz oder Autonomes Fahren, all diese sind heute nur deshalb so relevant, weil man über eine enorme Rechenpower verfügt, die diese Anwendungen erst möglich machen. Computer, wahlweise auch Rechner genannt, bilden die Grundlage für diese digitale Revolution.

Die Fülle an Informationen zum Thema Rechnerarchitektur in Form von Büchern und insbesondere von Materialien, die im Internet verfügbar sind, hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Aber genau genommen hat nur die verfügbare Information darüber in dieser Fülle zugenommen, nicht das Wissen in den Köpfen der Menschen. Denn es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen Information und Wissen: Jedes Wissen basiert auf verarbeiteter Information, aber nicht jede Information bedeutet einen Zuwachs an Wissen. Um von der angebotenen Informationsflut auch profitieren zu können, braucht es ein fundiertes Grundwissen, an dem neue Information angedockt werden kann. Wie kompliziert und innovativ neue Rechnersysteme auch sind, die grundlegenden Konzepte eines Rechners, wie er aufgebaut ist und wie die Abwicklung jeglicher Software darauf erfolgt, ist in großen Teilen invariant gegenüber diesen Innovationen.

Digitalrechner stellen sogenannte informationelle Systeme dar, deren Funktion und Wirken erst dann verständlich wird, wenn man die beobachtbaren Sachverhalte interpretiert. So geht es nicht darum, dass ein Signal den Spannungswert 0,5 V besitzt, sondern darum, dass die mit dem Signal verbundene Variable den logischen Wert 0 besitzt, mit dem eine bestimmte Bedeutung verbunden ist. Deshalb werden in diesem Buch der Aufbau und die Funktion von Rechnern systemtechnisch modelliert. Die verwendete Modellierungstechnik ist die FMC-Methodik (Fundamental Modelling Concepts). Auf der Systemebene ist die Realisierung von Komponenten als Hardware oder als Software zweitrangig, die Funktion steht im Vordergrund. Die FMC-Methodik ist sowohl unabhängig von der gewählten Art der Realisierung eines Systems als auch vom aktuellen Stand der Technologie. Eine wichtige Eigenschaft dieser Modellierungstechnik ist also die Implementierungsunabhängigkeit der Systembeschreibung.

Über dieses Buch

Seit mehr als 20 Jahren vertrete ich das Lehrgebiet »Rechnerarchitektur« an der Hochschule und ich habe in zahlreichen Semestern und Prüfungen erfahren, was die Sicht der Studierenden auf das Thema erhellt und was eher als schwierig empfunden wird. In diesem Buch habe ich versucht, diese Kenntnis einzuarbeiten. Bei den technischen Informatikern kann man auf viele Details eines Rechnersystems eingehen, was natürlich einen umfassenden Einblick in die technischen Zusammenhänge erlaubt; das sind Details, die aber Wirtschaftsinformatiker gar nicht interessieren. Diese sind an den grundlegenden Prinzipien interessiert und möchten die Thematik funktional und prozessorientiert verstehen. Je weniger tief man in das Fachgebiet eintauchen will, umso klarer müssen die funktionalen Aspekte herausgearbeitet werden, da man auf die Detailfülle verzichtet.

Die Kunst besteht dabei im Weglassen unwichtiger Informationen und im Abstrahieren von wichtigen Informationen. Illustrationen, die in diesem Buch sehr häufig verwendet werden, verringern die Detailmengen und unterstützen somit die Wissensverarbeitung. Ich halte es in diesem Buch mit einer Aussage des bekannten französischen Schriftstellers Antoine de Saint-Exupéry: »Perfektion wird nicht darin erreicht, wenn man nichts mehr hinzufügen kann, sondern wenn nichts mehr weggelassen werden kann.«

Es ist klar, dass ich dieses Buch nicht hätte schreiben können, ohne dass ich viel von anderen gelernt hätte. Insbesondere die in diesem Buch verwendete Art der Modellierung von informationsverarbeitenden Systemen mittels der Methodik der Fundamental Modelling Concepts stammt nicht von mir, sondern wurde ursprünglich von Prof. Dr. Siegfried Wendt konzipiert und wurde in den letzten Jahrzehnten von anderen Autoren verfeinert und an vielen Stellen erfolgreich eingesetzt. Diese Methodik durfte ich als Student kennen und später als wissenschaftlicher Mitarbeiter schätzen lernen. Ich habe sie dann auch in der eigenen Lehre konsequent eingesetzt.

Ich erinnere mich an die Erzählung eines unserer Studierenden, als wir uns anlässlich einer Veranstaltung etwa drei Jahre nach seinem Abschluss wieder trafen. Er hatte nach dem Studium bei der Firma SAP angefangen und musste sich damals mit der Konzeption des neuen Produkts SAP HANA befassen; einer Technologie, die aus Performancegründen die schnelle In-Memory-Technik nutzt. Seine Aussage war, dass er zur Einarbeitung in diese komplexe Thematik erst einmal wieder die Unterlagen des Rechnerarchitektur-Kurses, den er bei mir gehört hatte, durchgearbeitet habe und sich auf dieser Basis weiter in die neuen Systeme einarbeiten konnte. Das hat mir dann doch Hoffnung gemacht, dass die Inhalte nützlich sein können.

Dieses Buch vermittelt Ihnen, beginnend von den Grundlagen bis hin zu Zukunftstechnologien, ein fundiertes Wissen zum Thema »Rechnerarchitektur«. Alle wichtigen Strukturen, Funktionsprinzipien und Konzepte, gemischt mit anschaulichen Beispielen, werden Sie in diesem Buch finden, ganz im Sinne der . für Dummies-Reihe.

Gegenüber anderen auf dem Markt befindlichen Büchern zeichnet sich dieses Buch dadurch aus, dass das Grundsätzliche an den hier behandelten Systemen und Mechanismen realisierungsunabhängig verstanden werden kann. Dies liegt im Wesentlichen an der verwendeten Modellierungstechnik. Immer dann, wenn es nötig ist, einen konkreten, realen Prozessor zu betrachten, nehme ich auf die Prozessoren der M68xxx-Serie von Motorola Bezug, da diese didaktisch sehr gut geeignet sind, um beispielsweise die Architektur und die Grundlagen der Assemblerprogrammierung zu vermitteln. Dadurch ist es möglich, Sachverhalte an konkreten, realen Systemen zu studieren.

Wenn man sich nicht auf einen bestimmten Prozessortyp festlegen will, wäre es sicherlich in einem Lehrbuch über Computer auch möglich, einen fiktiven Modellprozessor einzuführen, an dem dann die relevanten Sachverhalte diskutiert werden können. Ich habe mich dennoch für ein exemplarisches Vorgehen entschieden. Ein Problem liegt sicher in der Auswahl der Typenvielfalt der am Markt angebotenen Prozessoren. Obwohl mir bewusst ist, dass der Markt momentan von anderen Prozessoren beherrscht wird, bin ich trotzdem bei diesem Prozessortyp M68xxx geblieben. Der Befehlssatz eines neueren Prozessors, wie beispielsweise dem Intel Prozessor Core i7, ist viel zu komplex, um ihn im Detail in diesem Buch zu behandeln. Dies wäre dem Ziel dieses Buchs, nämlich ein grundlegendes Verständnis zu erlangen, nicht dienlich gewesen.

Das Umsteigen auf andere Prozessortypen wird den Anwender nicht vor grundsätzlich neue Probleme stellen. Hier liegt der Vergleich mit einer Fahrschule nahe. Dort lernt man in der Regel auch auf einem bestimmten PKW fahren und sich nach deutscher Straßenverkehrsordnung zu bewegen. Im theoretischen Unterricht lernt man außerdem etwas über den Aufbau und die Arbeitsweise des Automobils. Wenn man den Führerschein erst mal erworben hat, kann man aber mit geringer Mühe auch andere PKW-Typen fahren und sich auch im Ausland, beispielsweise mit Linksverkehr, mit etwas Übung bewegen.

Törichte Annahmen über den Leser

Ich nehme an, dass Sie sich, lieber Leser, für das Thema »Rechnerarchitektur« interessieren und tiefere Erkenntnisse dazu gewinnen möchten. Zu dieser Thematik gibt es zwar eine Menge an Literatur und Büchern, teils mit sehr vielen Details, aber Sie möchten das Thema vermutlich gerne von einer übergeordneten Warte aus kennenlernen oder vertiefen.

Höchstwahrscheinlich gehören Sie zu den Studierenden technischer Fachrichtungen, wie beispielsweise der Informatik, der Elektrotechnik oder der Mechatronik, und wollen oder müssen das Fach »Rechnerarchitektur« im Rahmen Ihres Studiums absolvieren. Die Klausur rückt näher und Sie suchen nach einem systematischen Zugang zur Thematik.

Vielleicht sind Sie aber auch Experte zum Thema »Rechnerarchitektur«. Trotzdem kann es durchaus hilfreich sein, eine Darstellung dieses Fachgebiets vor sich zu haben, die Ihnen vielleicht Ideen oder Zusammenhänge aufzeigt, die Sie vorher so nicht gesehen haben.

Auch Informatiker und Ingenieure aus der Praxis sowie Fachkräfte aus dem technischen Bereich könnten im Rahmen einer Weiterbildung am Thema »Rechnerarchitektur«...