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Rechnerarchitektur 1 (Fach) / Architektur eines Prozessord (Lektion)
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- Def. Zentraleinheit (CPU) Central Processing Unit Gesamtleitung alle Verarbeitungsvorgänge durch das Steuerwerk und die Durchführung der Rechenoperationen in ihrem Rechenwerk alle Befehle werden in vorgegebener Reihenfolge eingelesen, interpretiert und ausgeführt auch die Aktivitäten bei extrernen Prozessoren werden hier initiiert
- Def. und Bedeutung Mikrocomputer gesamter Rechner, umfast alle Hardware-Komponenten Minimalausstattung besteht immer aus: Prozessor, Arbeitsspeicher, Eingabe-Ausgabegerät und externen Bussystem für Informationsaustausch
- Def. Mikroprozessor bezeichnet die Zentraleinheit (CPU) bildet eigentlichen Kern und besteht aus einem mikroprogrammgesteuerten Prozessor alle zentralen Komp. zur Steuerung des Rechnersystems und ABlauf eines Programms enthalten
- Abbildung vertiefung zur CUP siehe Seite 8 einzelne FUnktonseinheiten CPU: Steuerwerk Registersatz Rechenwerk Adresswerk internes Bussystem mit Schnittstelle zum externen Bussystem
- Def Rechenwerk besteht aus arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) Hilfsregistern und Steuerregister Steuerung erfolgt über Kontrollregister (s.9)
- Def ALU führt arithmetischen und logischen Operatoren des Prouessord aus das sind: arithemtische Operatoren: addieren, subtrahieren, multiplizieren, inkrementieren (um eins hochzählen), dekrementieren, vergleich von zwei Werten Logische bitweise Verknüpfen (Negation, AND, OR, XOR) Schiebe- und Rotations-Operatoren (Bit fällt raus, oder setzt sich wieder ans Ende) ALU besitzt idr zwei Eingangsbusse und einen Ausgangsbus vor Eingänge sind Hilfsregister (temporäre Register) geschaltet, dienen zur Zwischenwepicher der Operanden bei modernen Registern erfolgt Ablage direkt in den Registersatz Ergebnis wird auf Adresse des AS oder erneuten Verwendung im HR der ALU übertragen
- Beispiel Arbeitsweise Rechenwerk Z=X+Y (Adressen von Speicherzellen, numerische Inhalte von X und Y sollen addiert und auf Zelle Z abgelegt werden) 1. Schritt: Inhalt Speicherzelle X wird aus AS in Register R! im Registersatz übertragen 2. Schritt: Inhalt der Speicherzelle Y wird aus AS gelesen und in Hilfsregister am Operandeneingang A der ALU gebracht. Gleichzeitig wird Inhalt des R1 (X) im Operandeneingang B der ALU geladen. nach Auswahl der ALU-Operation „E=A+B" liegt die Summe im Ergebnisausgang E und wird in Register R1 übernommen 3. Schritt: Inhalt R1 wird ausgelesen und in Speicherzelle Z im AS gebracht. Summe bleibt im Register für ggf. neue Berechnungen erhalten. In neuen Prozessoren ist am Ausgang ach ein HR, dann ist schritt drei mit Register überflüssig
- Statusregister (Aufbau und Operationen) besteht aus Reihe logisch und voneinander unabhängiger Bits, aus gründen der einfacherern Adressierung in einem Register auch als Flagregister bezeichnet (da jedes Bit einen Zustand signalisiert) Zustände werden aus Operanden und dem Ergebnis einer Operation abgeleitet Statusregister kann wie jedes andere Register im Prozessor durch ein Programm gelesen, ausgewertet und verändert werden bei Unterbrechung eines Programms wird es im AS gespeichert
- def. 7 Statusflags (im Steuerregister) Overflow = Bereichsüberschreitung im Zweierkomplement ( dieses Bit wird gesetzt, wenn Ergebnis kleiner -2^n-1 oder größer 2^n-1^-1 Direction = gibt an, ob lange Datenblöcke in auf, oder absteigener Ordnung bearbeitet werden soll Interruptsperre = wird Unterbrechung durch Hardwarekomponente ausgelöst, kann Bit über Zulassung entscheiden Trace/Einzelschrittsteuerung = ist möglich nach Ausführung eines Benutzerbefehls wieder in BS zurückzukehren. Schrittweiser Ablauf eines Programms zur Fehlersuch eist typisch (debugging) Sign = enthält die kopie des höchstwertigen Bits den Operanden. Ist wert des Operanden negativ, wird Bit auf 1 gesetzt Zero = zeigt an, ob ergebnis des letzten Operation 0 ist, also ob Operation erfolgreich ausgeführt wurde. Bei Verzweigungsbefehle gr. Bedeutung Auxiliary Carry =
- Was ist ein Registersatz? Teil eines Prozessors konkret: prozessorinterne Speicherstelle mit minimaler Zugriffszeit (liegt nicht wie Haupt- und Arbeitsspeicher extern) direkte Adressierbarkeit, keine komplizierte Adressberechnung (daher schneller Zugriff) Registersatz als Zeil des Rechenwerks, ihre Breite richtiet sich haupts. nach Verarbeitungsbreite der ALU für schnelle Datenablage und Zwischenspeicher für ALU Anfangs hatten die Register eine Breite von 8 Bit und Registersatz bestand aus 8 Registern (1 Statusr.,1Akkumulator,6 universelle R.), konnten auch als 16-Bit Registerpaare eingesetzt werden Registerbreite erhöhte sich nach und nach, erst 16 Bit ,dann 32 Bit, Aufteilung von 8 Registern wurde beibehalten
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- Was ist ein Adresswerk? ebenfalls Bestandteil des Prozessors (CPU/Zentraleinheit)
- Prozessorleistung zentral: Taktfrequenz, sagt nur was über theoretische Leistung aus (Rpeak) für wirkliche Leistung (Rmax) werden weitere Parameter benötigt: Taktrate, Busgeschwindigkeit und Speicherzugriffszeit zur Berechnung un Vergleichen der Rechnerleistung wurden Benchmarks entwickelt unterschiedliche Maßeinheiten, erst MIPS, dann MFLOPS, dann GFLOPS bzw. TFLOPS