Rechnerarchitektur (Fach) / von Neumann architektur (Lektion)
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rechnerstrukturen - harvard - universalrechner
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- Grundidee der von Neumann-Architektur •„Architektur des minimalen Hardware-Aufwands“•„Prinzip des minimalen Speicheraufwands“• Programm(e) und Daten zuerst in denselben Speicher laden und dann ausführen• möglich Sprünge einzuführen• Programmcode kann während Programmablauf modifiziert werden - riskante, fehleranfällige Methode• Übergang von der starren zur flexiblen Programmsteuerung (vonder Rechenmaschine zur Datenverarbeitungsanlage)
- Grundaufbau von Neumann-Architektur • Befehle und Daten immer in gemeinsamen Speicher• nur ein Bus für Befehle und Daten• flexible Aufteilung des Speichers zwischen Code und Daten• Hauptanwendung: allgemeine Computer
- Komponenten von Neumann-Architektur • Eingabe-/Ausgabewerk • Speicherwerk - gemeinsamer Speicher für Daten und Programme• CPU mit Rechenwerk und SteuerwerkRechen- und Steuerwerk tauschen Daten aus,Speicherwerk und CPU tauschen untereinander und mit Eingabe-/Ausgabewerk Daten aus
- Grundaufbau Harvard-Architektur Befehle und Daten in getrennten Speichern je ein Befehls- und Datenbus schneller gleichzeitiger Zufriff auf Code und Daten Hauptanwendung: Signalprozessoren
- Komponenten Harvard-Architektur Eingabe-/Ausgabewerk Speicherwerk (getrennter Speicher für Daten und Programme) CPU mit Rechnerwerk und Steuerwerk Datenbus Befehlsbus Im CPU kommunizieren Rechenwerk und Steuerwerk,Datenspeicher und Rechenwerk kommuniz. über Datenbus und Programmspeicher mit Steuerwerk und Befehlsbus (Zeichnung)
- Prinzip von Neumann-Rechner Speicher aus Worten fester Länge Speicherwort kann Datum oder Befehl enthalten Prozessor hat Register : in welcher Speicherzelle ist der auszuführende Befehl zu finden Ausführen eines Befehls: - Lesen von Operanden aus dem Speicher,- Ausführen einer Operation auf diesem/diesen Operanden,- Schreiben der Ergebnisse in den Speicher
- Prinzip von Neumann-Rechner Speicher bestehend aus Worten fester Länge Speicherwort enthält Datum und Befehl Prozessot hat Register: in welcher Speicherzelle ist der auszuführende Befehl zu finden Auführung eines Befehls bedeutet: - Lesen von Operanden aus dem Speicher - Ausführen einer Operation auf diesem/diesen Operanden - Schreiben der Ergebnisse in den Speicher Daten, Befehle, Adressen und Steuerungen werden Binärzeichen verwendet
- Vorteile/Nachteile Harvard-Architektur Vorteile: Befehle und Daten können gleichzeitig geladen werden schnell Trennung von Datenspeicher und Codespeicher hilft, dass bei fehlerhafter Software kein Programmcode überschrieben werden kann Nachteile: freier Programmspeicher kann nicht für Daten genutzt werden und freier Datenspeicher kann nicht für Programme genutzt werden selbst-modifizierender Code ist durch Trennung nicht möglich
- Von-Neumann-Flaschenhals ein gemeinsamer Hauptspeicher für Programme und Daten Verbot der parallelen Ausführung von Programm-/Befehlsschritten
- Speicherwerk eines Universalrechners enthält Daten- und Adressregister Speicher enthält Befehle UND Daten in binärer Form Speicher aufgeteilt in Speicherzellen (eindeutig adressiert, fortlaufend nummeriert, gleich groß)
- Befehlssequenz Programm ist Folge von Anweisungen (Befehlen): Befehl = Operator (Code) + Verweis auf Operanden (Adreßteil) Prozessor verarbeitet Befehle und Daten steng sequentiell, ein Befehl nach dem anderen Abweichungen von Sequenz durch Sprungbefehle:- Adreßteil modifiziert den PC- Unbedingter Sprung verändert immer den PC- Bedingter Sprung verändert PC nur bei Erfüllung einer Bedingung.
- Operandenadressierung Befehle geben nur Speicheradresse an, wo Daten liegen und nicht Daten selbst Adressen können wie Daten behandelt und modifiziert werden auch Befehle können ggf. wie Daten behandelt werden
- Nachteile gemeinsame Speicherung von Daten und Befehlen Befehle und Daten anhand Bitmuster nicht unterscheidbar varibale und konstante Daten nicht unterscheidbar Speicherinhalte können bei falscher Adressierung verändert werden, die es nicht dürfen
- Rechenwerk eines Universalrechners ("Operationswerk") Aufgabe:- Bearbeitung von Daten- Ausführen von arithmetischen und logischen Operationen mit zwei Operanden- Allgemeine Gleichungen müssen zerlegt werden eigentliche Verarbeitung:- arithmetisch-logische Einheit = ALU hat feste Verarbeitungsbreite: 8-, 16-, 32- oder 64-Bit-System. Bedingungs-Bits (Flags) beschreiben Ergebnis der Operation, bilden zusammen Flagregister
- Steuerwerk Baugruppen Universalrechner Befehlsregister BR Befehlszähler BZ - Register, welches auf die nächste auszuführende Instruktion zeigt Einheit zur Befehlsentschlüsselung - Interpretiert die im Speicher abgelegten Worte als: Instruktionen (Befehle), Daten, Adressen Einheit zur Steuerung der Befehlsausführung - steuert übrige Einheiten, so dass die Instruktionen korrekt ausgeführt werden
- Warum Register? Prozessor etwa 10mal so schnell wie Speicher Schnittstelle zum Speicher teuer, daher schmal (Flaschenhals)
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- Warum Register? Prozessor etwa 10mal so schnell wie Speicher Schnittstelle zum Speicher teuer, daher schmal (Flaschenhals)
- Befehlsarten Universalrechner Verknüpfungsbefehle (arithmetische, logische Befehle, Verschiebeoperationen) - PC wird normal inkrementiert Transferbefehle (load, store) - PC wird normal inkrementiert Sprungbefehle (Durchbrechung des sequentiellen Programmablaufs)- bedingt: PC wird auf jeden Fall mit neuem Wert geladen- unbedingt: PC wird abhängig von Flag neu geladen oder normal inkrementiert
- Befehlsabarbeitung von Neumann-Rechner Befehl holen (fetch) Befehl entschlüsseln (decode) Befehl ausführen (execute) Ergebnis speichern (write back)
- CPU Universalrechner Rechenwerk und Steuerwerk werden meist in einer physikalischen Einheit (Chip) zusammengefaßt-> zentrale Verarbeitungseinheit = Central Processing Unit–CPU= Prozessor jeweiliger Prozessorzustand ist bestimmt durch aktuellen Inhalt aller Register des Steuerwerks und aller Register des Rechenwerkes Zusammenspiel von Steuer- und Rechenwerk sorgt dafür, dass nacheinander die Befehle geholt und ausgeführt werden.
- Eingabewerk/Ausgabewerk Übernahme von Programmen und Daten von externen Speichereinheiten (E/A-Geräte) Übergabe von Programmen und Daten an externe Speichereinheiten
- Bus Sammelleitungen zur - Verbindung der Teilwerke- Übertragung von: >Adressen >Daten oder Befehlen (adreßabhängig) >Steuersignalen (Steuerwerk <-> andere Teilwerke)