DE10008774A1 - Längenflexible Grundstruktur der Datenverarbeitung - Google Patents

Abstract

Konventionelle Computersysteme verwenden Informationseinheiten mit statischer Länge (8, 16, 32, 64 etc. Bit) zur internen Repräsentation ihrer Daten. Diese Informationseinheiten haben die Eigenschaft, im Fall eines Überlaufs ein falsches Ergebnis zu produzieren. Diese Schwäche wird durch die Einführung einer in Byteschritten dynamisch skalierbaren und damit längenflexiblen Grundstruktur behoben. DOLLAR A Diese Grundstruktur setzt sich aus insgesamt drei Teilen zusammen: den Informationsbytes, die die eigentlichen Daten beinhalten, den Packungsbits, die eine Klassifizierung des Inhalts der Informationsbytes ermöglichen, und den Schnittbits, an denen die Länge der Informationseinheiten erkennbar ist. Für einen 8-Informationsbyte-Ausschnitt, der mit einer Informationseinheit beginnt, ergibt sich damit beispielsweise folgendes Bild: DOLLAR F1 Am Schnittbit (Zeile S) läßt sich erkennen, ob die Informationseinheit mit dem korrespondierenden Informationsbyte (Zeile I) endet (Wert 1) oder ob das nachfolgende Byte mit zur Informationseinheit gehört (Wert 0). Das Schnittbit gilt ebenfalls für den Packungsbereich (Zeile P), wo es sich auf 2-Bit Gruppen bezieht. Der Stellenwert der Bits steigt dabei auf die rechte Seite. DOLLAR A Die Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich über alle Bereiche der Datenverarbeitung.

Description

Die Elektronikindustrie ist insgesamt eine gewaltige Branche, die von ihr produzierten Neuerungen füllen regelmäßig stapelweise Zeitschriften und un­ gezählte Internet-Seiten. Daher ist an eine umfassende Bestandsaufnahme des Stands der Technik an dieser Stelle nicht zu denken, nur die bekanntesten Hauptlinien und die für dieses Patent relevanten Aspekte können angesprochen werden.

In jüngster Zeit erfreuen sich wieder Apple® Computer großer Beliebtheit, die zunächst durch ihr ansprechendes Design auffallen. In ihnen befinden sich Prozessoren, die nach dem von IBM® und Motorola® ins Leben gerufene PowerPC® Konzept arbeiten. Es handelt sich dabei um eine moderne Archi­ tektur, die mit großem Aufwand lineare Prozesse parallelisiert und damit ein großes Leistungspotential bei relativ geringen Taktfrequenzen entfaltet. Doku­ mentiert ist dieses Konzept in "Das professionelle PowerPC®-Buch" von Hans Martin von Staudt, erschienen 1994. Leider fallen die Leistungsdaten des peri­ pheren Umfeldes der Apple®-Rechner meistens relativ schwach, die Preise da­ für relativ hoch aus, so daß das Preis-Leistungs-Verhältnis insgesamt nicht an das der sogenannten IBM®-kompatiblen Computer heranreicht.

Damit ist auch schon die zweite Linie im PC Bereich angesprochen. IBM®- kompatibel werden diese Rechner aus historischen Gründen genannt, da der Urahn dieser Computer ursprünglich von IBM® herausgebracht wurde. Da diese Computer schnell von anderen Firmen nachgebaut wurden und sich IBM® selbst zwischenzeitlich aus diesem PC Geschäft zurückgezogen hatte, ist die Bezeich­ nung IBM®-kompatibel mitlerweile absurd und wird durch Bezeichnungen wie Wintel-Rechner, nach dem Hersteller der am häufigsten verwendeten Prozes­ soren - Intel® - und dem am meisten verwendeten Betriebssystem - Microsoft Windows® - abgelöst.

Intel® ist bei seinen Entwicklungen immer sehr darauf bedacht, die Kompatibi­ lität zu den Vorgängerversionen zu wahren, wodurch sich im Laufe der Zeit eine große Anzahl potentiell lauffähiger Software angesammelt hat, die zu günstigen Preisen zu haben ist. Auch Intels® jüngster großer Entwicklungsschritt - die 64 Bit Architektur IA-64 - enthält einen speziellen Mode, in dem die 32 Bit Software der Pentium®-Prozessoren läuft Dokumentiert ist dieses Konzept in Intels® "IA- 64 Application Developer's Architecture Guide", das seit Mai 1999 im Internet verfügbar ist. Intels® Marktpolitik, mit großen Stückzahlen und niedrigen Preisen eine dominierende Stellung aufzubauen, ist bisher sehr erfolgreich verlaufen: Intels® Pentium®-Prozessoren können als der Standard der Branche gelten.

Einige andere Hersteller versuchen diese dominante Stellung zu attackieren und Intel® Marktanteile abzunehmen. Am erfolgreichsten ist damit bisher AMD® mit seinen K6 und Athlon® Prozesoren, die bis zur 32-Bit Ebene weitgehend mit den Intel®-Prozessoren kompatibel sind, aber einige Abweichung in ihrer Archi­ tektur aufweisen und über einige spezielle Erweiterungen verfügen (3Dnow). Ob es auch Transmeta® mit ihren hauptsächlich für den mobilen Einsatz konzipier­ ten Crusoe®-Prozessoren gelingen wird, Intel® größere Marktanteile abzuneh­ men, bleibt weiter zu beobachten. Insgesamt hat die große Konkurrenz und unübersichtliche Situation im Hardware-Bereich der IBM®-Kompatiblen zu einem Preisverfall, aber auch zu einer steigenden Unzuverlässigkeit der Software geführt, längst laufen nicht mehr alle Programme problemlos und ohne Ab­ stürze.

Weiterhin gehören zum Stand der Technik die mitlerweile von Intel® gekaufte Alpha®-Technologie und die Sparc®-Architektur von Sun Microsystems®, die einen von den PCs bisher nicht erreichten Teil des Leistungsspektrums ab­ decken und als Net-Server Verwendung finden und andere Hochleistungs­ aufgaben bewältigen. Damit sind die bekanntesten und verbreitetsten Systeme angesprochen, eine nicht unbeträchtliche Zahl weniger verbreiteter Konzepte bleibt unerwähnt.

Alle diese Systeme haben die Gemeinsamkeit, ihre Daten in statischer Länge zu bearbeiten, was sich besonders im Fall eines Überlaufs bemerkbar macht. Wird zum Beispiel der ein-Byte Wert 255 um eins erhöht, lautet das Ergebnis nicht 256, sondern null, da sich der Wert 256 in einer ein-Byte Variablen nicht darstellen läßt. Umgekehrt werden bei längeren Variablen immer alle Bytes bearbeitet, selbst in den Fällen, in denen nur ein Byte tatsächlich benutzt wird.

Uneinigkeit dagegen besteht in der Byte-Anordnung im Speicher: hier gibt es zwei unterschiedliche Vorgehensweisen, die als "little endian" (Intels® Pentium®- Prozessoren und kompatible) und "big endian" (PowerPC® und andere) bekannt sind. (Beide Prozessorfamilien beherrschen mitlerweile auch die jeweils andere Anordnungsform, sind aber traditionell mit ihrer speziellen verbunden).

Allen gemeinsam ist diesen Konzepten, ihre Daten "blind" zu verwenden, das heißt bei der Betrachtung eines beliebigen Speicherbereichs ist nicht erkennbar, ob es sich bei den betrachteten Bytes um Fließkommazahlen, vorzeichenlose oder vorzeichenbehaftete Ganzzahlen oder sonstiges handelt, nur das diese Daten benutzende Programm "weiß" aus einer internen Organisation, wie die Bitmuster aufzufassen sind.

Die zu patentierende Grundstruktur hebt sich in mehreren Punkten vom Stand der Technik ab. Der Hauptunterschied liegt in der Längenflexibilität (Patentan­ spruch 1), der durch eine Erweiterung der Informationsbytes durch Schnitt-Bits erreicht wird. Dadurch wird es möglich, die Datenstruktur im Fall eines her­ kömmlichen Überlaufs um die zusätzlich benötigten Bytes zu verlängern und damit das richtige Ergebnis zu erhalten. Umgekehrt betrachtet erlauben die Schnitt-Bits im Vergleich zu längeren Variablen statischer Länge die ausschließ­ liche Bearbeitung der von Fall zu Fall tatsächlich verwendeten Bytes.

Ein weiterer Unterschied ist der Stellenwertaufbau der Bits innerhalb der Bytes, der auf die rechte Seite hin anwächst (Patentanspruch 2). Diese Anor­ dnung wird auf der Byte-Ebene fortgesetzt und stellt damit eine Synthese des "little endian"- und des "big endian"-Konzepts dar, da sowohl eine einheitliche Betrachtungsweise zwischen Bit- und Byte-Ebene zugrunde liegt, als auch Zeiger unabhängig von der Länge der gepointerten Einheit immer auf das glei­ che (nullte) Byte zeigen können. Damit sind in dieser Anordnung die Mankos der beiden bekannten Formen behoben.

Weiterhin werden die Informationseinheiten mit einer zusätzlichen Packungs­ angabe versehen (Patentanspruch 3). Damit wird nicht nur die Länge der Infor­ mationseinheiten, sondern auch ihr Inhalt erkennbar, was neue Möglichkeiten der Programmierung eröffnet. Beispielsweise können über Tastatur einge­ gebene Ganzzahlen intern sofort in ihre binäre Darstellung umgewandelt werden, womit sie in einer Form vorliegen, in der sie der Prozessor direkt bearbeiten kann.

Als Packungen bislang vorgesehen sind: eine Standardpackung (mit Zeichen, Steuerzeichen und ähnlichem), eine vorzeichenlose Ganzzahlpackung, eine vorzeichenbehaftete Ganzzahlpackung, mehrere Fließkommapackungen, die zwei vorzeichenbehaftete Ganzzahlwerte als Mantisse und Exponent zu einer Fließkommazahl zusammenziehen, sowie eine Maschinensprachepackung, um zuerst die grundlegensten Elemente zu nennen. Weiterhin einige ganzzahl­ kompatible Packungen, wie absolute und relative Pointer, eine Error-Packung, Uhrzeit- und Zeitspannenpackungen und weitere Packungen, die sich aus mehreren Werten zusammensetzen, wie Bruchpackungen, die Datumspackung, Farbpackungen für die Licht- und die Pigmentdarstellung von Farben, eine Telephonnummernpackung.

Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Packungen steigt exponentiell zur Länge der Informationseinheiten, weshalb ab einer Mindestlänge von 3 Bytes viele Packungen unbelegt sind und das System offen ist für Erweiterungen in unterschiedlichste Richtungen (Sound-Packungen, Internet-Adressen, etc.).

Aus der Vielzahl der Packungen sind zwei Gruppen hervorzuheben und ausführlich zu beschreiben, denn sie sind in ihrer speziellen Ausgestaltung ebenfalls Gegenstand von Patentansprüchen: die Fließkommapackungen und die Bruchpackungen.

Zunächst jedoch einige Bemerkungen zu vorzeichenbehafteten Ganzzahlen und aus mehreren Werten zusammengesetzte Packungen allgemein: Vorzei­ chenbehaftete Ganzzahlen werden durch das herkömmliche 2er-Komplement dargestellt. Bei negativen Werten gelten damit die führenden Bits als eins, was bei Längenveränderungen mit gleichbleibenden Wert zu beachten ist. Einige Packungen ziehen mehrere Werte zu einem Element mit einer Packung zu­ sammen. Die Längenflexibilität ist dabei nur für den letzten enthaltenen Wert möglich, die Grenzen zwischen den einzelnen Werten befinden sich an fixen Stellen. Dabei gelten alle Werte, die außerhalb der aktuellen Länge des Ele­ ments liegen, als null.

Die allgemeinste Darstellung betrachtet jeden Wert als eigenes Element und spezifiziert es durch eine eigene Packung. Die zusammengesetzten Versionen haben demgegenüber den Vorteil, weniger Speicherplatz zu beanspruchen, da die Anzahl von 2 und 4 Bit-Packungsangaben begrenzt ist und darum zum Bei­ spiel ein Exponent einzeln mindestens 2 Byte belegt, während sich in einer zu­ sammengesetzen Fließkommapackung der benötigte Speicherplatz reduzieren läßt.

Fließkommazahlen gehören neben den Ganzzahlen zu den wichtigsten und verbreitetsten Variablentypen. Die heute von den meisten Mikroprozessoren verwendete Fließkommazahlendarstellung entspricht dem "IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic" (ANSI/IEEE std 754-1985) und ist in einfacher Genauigkeit mit 32 Bit und doppelter Genauigkeit mit 64 Bit gebräuchlich, wobei interne Zwischenergebnisse auch in einer Länge von 80 Bit dargestellt werden. In der 32 Bit Version werden 8 Bit für den Exponent, 23 Bit für die Mantisse und ein gesondertes Vorzeichenbit verwendet, in der 64 Bit Version belegt der Exponent 11 Bit, die Mantisse 52 Bit und ebenfalls ein gesondertes Bit das Vorzeichen. Entsprechend den Gepflogenheiten konventioneller Systeme mit statischen Längen ist die Anzahl der benötigten Bytes unabhängig vom darge­ stellten Wert.

Die Fließkommapackungen der längenflexiblen Grundstruktur streben dagegen in den Fällen, in denen dies möglich und vorteilhaft ist, eine Ver­ kürzung der Datenstruktur und eine möglichst große Nähe zur Ganzzahlen­ darstellung an. Daher werden die Fließkommazahlen aus zwei vorzeichen­ behafteten Ganzzahlen zusammengesetzt, von denen die eine die Mantisse, die andere den Exponent zur Basis 2 - das entspricht der Verschiebung der Man­ tisse - darstellt (Patentanspruch 4). Damit geht diese Zahlendarstellung in den Fällen von ganzen Zahlen, die im Wertebereich der Mantisse liegen, vollständig in die Ganzzahlendarstellung über und kann wie eine solche weiter gehandhabt werden. Vorteilhaft ist dies auch für Konvertierungen, besonders in der Richtung von einer Ganzzahl zu einer Fließkommazahl, da nichts außer der Packung zu ändern ist. Diese Darstellung ist zudem sehr anschaulich und leicht verständ­ lich.

Da bei den Rechenoperationen die beiden Bestandteile Mantisse und Exponent als einzelne längenflexible vorzeichenbehaftete Ganzzahlen gehand­ habt werden, sind sowohl die Genauigkeit als auch der Wertebereich in keiner Weise prinzipiell beschränkt, sondern nur durch die spezielle Implementierung. Der Wertebereich und die Genauigkeit werden weiterhin durch die Eigenschaf­ ten der unterschiedlichen Packungen bestimmt. Für die Geschwindigkeit der Rechenoperationen ist hauptsächlich die Mantissenlänge, das entspricht der Genauigkeit, ausschlaggebend. Die Größe des Exponenten spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle. Dieser wird erst bei der Umwandlung der Fließ­ kommazahl in ihre dezimale Darstellung zeitrelevant.

Alle Zustände der Informationsbytes stellen gültige Zahlen dar; die in der ANSI-Darstellung ebenfalls enthaltenen Fehlercodierungen werden in der längenflexiblen Grundstruktur durch eine eigene Error-Packung gehandhabt.

Im Gegensatz zu Fließkommazahlen werden Bruchdarstellungen von heuti­ gen Mikroprozessoren nicht direkt unterstützt. Dies hat hauptsächlich Geschwin­ digkeitsgründe, da das Kürzen von Brüchen eine relativ zeitaufwendige Ange­ legenheit werden kann. Der Vorteil aber, rationale Zahlen wirklich genau dar­ stellen zu können, macht Bruchdarstellungen so attraktiv, daß sie als spezielle Packungen der längenflexiblen Grundstruktur vorgesehen sind.

Wie die Fließkommapackungen setzen sie sich aus zwei vorzeichenbehaf­ teten Ganzzahlen zusammen. Das Besondere dabei ist, daß der Nenner in diesen Packungen um eins verringert abgelegt wird (Patentanspruch 5). Damit wird der Nenner für ganze Zahlen null und auch die Bruchdarstellung geht in die Ganzzahlendarstellung über.

Insgesamt ist vorsichtiger Optimismus angebracht, mit der Umsetzung der Prinzipien der längenflexiblen Grundstruktur eine neue Qualität der Benutzer­ oberfläche und der Programmierung von Computern zu erreichen. Optimismus, da die Erweiterungen konkrete Vorteile und neue Möglichkeiten mit sich bringen, die bereits durch Software-Emulationen demonstriert werden. Vor­ sichtiger Optimismus, da von den tausenden noch auszuarbeitenden Details sich einige als schwieriger erweisen können, als sie zunächst erscheinen.

Claims (5)

1. Längenflexibilität der betrachteten Informationseinheiten durch eine die Informationsbytes ergänzende Längenangabe.

• 1. 1.1 Längenangabe nach Anspruch 1 in der Form von Schnitt-Bits.
• 2. 1.2 Längenangabe nach Anspruch 1 in direkter Byte-Zählung.

2. Besonderer Stellenwertaufbau der Bits, der den Stellenwert auf die rechte Seite ansteigen läßt:
Und dieses Konzept bei der Betrachtung mehrerer Bytes in gleicher Weise weiterführt.

3. Ergänzung der Informationseinheiten um einen Packungsbereich.

• 1. 3.1 Packungsbereich nach Anspruch 3 mit 2, 3, 4, 5 und 6 Bit je Informa­ tionsbyte.

4. Fließkommazahlendarstellung in Form zweier vorzeichenbehafteter Ganz­ zahlen, von denen die eine die Mantisse, die andere den Exponent zur Basis 2 darstellt. Diese beiden Komponenten werden in einigen Packungen auch zu einer Informationseinheit zusammengezogen, wobei die Mantisse eine statische Länge erhält.

• 1. 4.1 Fließkommazahlen-Packungen nach Anspruch 4, mit einer Mantissenlänge von 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 10 Bytes.

5. Packungen der Bruchdarstellung, deren Informationsbytes zwei vorzeichen­ behaftete Ganzzahlen darstellen, von denen die eine den Zähler, die andere den Nenner bilden. Der Wert des Nenners wird in diesen Packungen um eins verringert abgelegt.

• 1. 5.1 Bruchpackungen nach Anspruch 5, mit einer Zählerlänge von 2, 3, 4, 5 6 und 7 Bytes.