Einführung in die Rechnerarchitektur

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1 Einführung in die Rechnerarchitektur Prozessoren und Systeme von Christian Märtin 1. Auflage Hanser München 2003 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 CARL HANSER VERLAG Christian Märtin Einführung in die Rechnerarchitektur Prozessoren und Systeme

3 10 Einführung und Grundlagen 1 Im Wettlauf mit Moore s Law Zu Beginn des 21. Jahrhunderts stehen neue Mikroprozessorarchitekturen für Server, Desktop- und Embedded-Systeme mehr den je im Mittelpunkt der Informationstechnik. Machte man sich noch vor wenigen Jahren Gedanken darüber, wann die Weiterentwicklung der Mikroelektronik an ihre technischen Grenzen stoßen würde, geben die aktuellsten Roadmaps der US-Halbleiterindustrie Entwarnung. Mindestens bis zum Jahr 2016 ist dank des Innovationspotenzials und Einfallsreichtums der führenden Unternehmen und Forschungseinrichtungen nicht mit einer ernsthaften Verlangsamung des Entwicklungstempos zu rechnen. Nach wie vor gilt Moore s Law, das legendäre Gesetz des Intel- Gründers Gordon Moore, wonach sich die Zahl der Transistoren und die Rechenleistung pro Chip etwa alle 18 Monate verdoppeln sollen. Es wirkt sich auch in anderer Hinsicht auf die Entwicklung von IT-Systemen aus: Eine Million Transistoren kosten heute nur noch einen Euro. Und mit jeder neuen Technologiegeneration sinkt, bedingt durch schrumpfende Chip-Strukturen und größere Wafers, der Transistorpreis weiter, sofern damit ein Massenmarkt bedient werden kann. Um jedoch Moore s Law immer wieder folgen zu können, werden heute ganz andere Erwartungen an Technologen und Rechnerarchitekten gestellt als noch vor fünf bis zehn Jahren. Genügte früher die planmäßige lineare Fortentwicklung bestehender Chip-Herstellungsverfahren, um die vorgegebenen Leistungsziele zu erreichen, benötigt man im Submicron-Bereich immer aufwändigere Fertigungsprozesse und Lithographieverfahren zur Maskenherstellung. Als Grundelemente dienen extrem schnell schaltende, gleichzeitig verlustleistungsarme Transistoren. Neue Verpackungstechnologien müssen die rapide wachsenden thermischen Probleme reduzieren und dennoch die erforderliche hohe Leistungsaufnahme der aktuellen Prozessoren sicher stellen. Allerdings reichen mikroelektronische und produktionstechnische Maßnahmen allein bei weitem nicht aus, um mit Moore s Law heute noch Schritt zu halten. Erst immer ausgeklügeltere Rechnerarchitekturen, die auf Parallelarbeit mit all ihren Facetten setzen, holen aus einer gegebenen Zahl von Transistoren tatsächlich die optimale Prozessorleistung heraus. Der Evolution solcher Rechnerarchitekturen und ihren engen Wechselwirkungen mit der sich gleichzeitig wandelnden Technologiebasis ist dieses Buch gewidmet. Wie kann man die Ressourcen auf dem Chip optimal zur Leistungssteigerung nutzen und partitionieren? Wie schafft man es, dass der Energieverbrauch dabei nicht ins Uferlose steigt? Wie überbrückt man die Barriere zwischen extrem schnellen CPUs und dem großen, aber trägen DRAM-Hauptspeicher? Wie baut man schnelle, aber preisgünstige Server, Workstations, PCs oder Handhelds? Wie wirken sich System-on-Chip-Technologien auf die Entwicklung zukünftiger Embedded-Systeme aus? Um diese und andere Fragen zu beantworten, braucht man einen soliden, technologienahen Hintergrund in Rechnerarchitektur. Dieses Buch stellt die Grundlagen und Hilfsmittel dafür bereit.

4 Einführung und Grundlagen Moderner Rechnerarchitekturbegriff Im Mittelpunkt der Disziplin Rechnerarchitektur steht die Auseinandersetzung mit existierenden, zu entwerfenden und zukünftigen Rechnerarchitekturen. Durch die dynamische Evolution der Rechnerentwicklung erweitert und verändert sich das Arbeitsfeld laufend. Noch Ende der 1970er Jahre umfasste die bei IBM für das System /370 verwendete Rechnerarchitektur-Definition nur die Sicht des Programmierers auf die konzeptuellen und funktionalen Eigenschaften des Systems. Die interne Organisationsstruktur des Systems und der damit verbundene Informationsfluss blieben unberücksichtigt [Case 1978]. Dieser noch sehr eingeschränkte Architekturbegriff beschrieb lediglich die für den Programmierer sichtbare äußere Fassade eines Computersystems, also insbesondere die Möglichkeiten seiner Programmierschnittstelle. Dazu gehörten der Maschinenbefehlssatz, die Registerstruktur, die Adressierungsmodi und die Behandlung von Unterbrechungen und der Ein- /Ausgabe durch den Programmierer. Diesen Teil einer Rechnerarchitektur bezeichnet man heute als Befehlssatzarchitektur oder ISA (Instruction Set Architecture). Die in diesem Buch gewählte Sichtweise bezieht die für den Entwurf von Rechnern maßgeblichen Entscheidungsebenen mit in ihr Begriffsmodell ein [Märtin 1994, Märtin 2001]. Rechnerarchitektur wird dabei als umfassende, fächerübergreifende Disziplin verstanden. 1.1 DEFINITION Rechnerarchitektur Rechnerarchitektur umfasst die Analyse, die Bewertung, den Entwurf und die Synthese von Rechnern und Rechnerkomponenten. Dazu müssen strukturelle, organisatorische und implementierungstechnische Aspekte berücksichtigt und auf der globalen Systemebene, der Maschinenbefehlssatzebene und der Mikroarchitekturebene untersucht werden. Zwischen den beteiligten Ebenen und den verschiedenen Teilaspekten der Rechnerarchitektur sind Rückkopplungen möglich. Auf allen Ebenen und für alle Teilaspekte finden umfangreiche Wechselwirkungen mit anderen Disziplinen der Informatik, der Ingenieur- und Naturwissenschaften und der Mathematik statt. Bild 1.1 zeigt das verwendete Begriffsmodell, das nach Teilbereichen und Beschreibungsebenen strukturiert ist. Es lässt sich direkt auf existierende oder zu entwickelnde Rechnerarchitekturen abbilden. Konkrete Rechnerarchitekturen weisen individuelle Ausprägungen der im Begriffsmodell verwendeten Beschreibungsaspekte auf und lassen sich damit charakterisieren. Das Modell erlaubt es, schnell die Teilprobleme zu benennen, die beim Vergleich oder der Untersuchung vorliegender Rechner und beim Entwurf neuer Rechner oder Rechnerkomponenten zu lösen sind. Ebenen des Begriffsmodells Die Rechnerarchitektur muss im Rahmen konkreter Entwicklungen die folgenden Teilbereiche abdecken:

5 12 Einführung und Grundlagen Struktur. Hier geht es um Eigenschaften wie die Zahl der Prozessoren in einem System oder den Aufbau der Speicherhierarchie. Organisation. Hier geht es um Aspekte der Steuerung und der Vor- und Nachteile logischer Organisationsformen etwa für Caches. Implementierungstechnik. Hier geht es um die Möglichkeiten und Probleme der konkreten Realisierung bestimmter Struktur- und Organisationsformen und um die erzielbare Leistung. 1.1 BILD Rechnerarchitektur-Begriffsmodell Aufgaben und Eigenschaften lassen sich nicht immer exakt einem Teilbereich zuordnen. Oft treten Überschneidungen auf. Prinzipiell sollte man jedoch versuchen, jede Aufgabe schwerpunktmäßig einem Bereich des Begriffsmodells zuzuordnen. Beim Rechnerentwurf spielen auch die Beschreibungsebenen eine wichtige Rolle, auf denen Designentscheidungen zu treffen sind: Systemebene (System Level Architecture): Auf dieser Ebene werden Entscheidungen getroffen, die sich auf die Konfiguration von Prozessoren, Speichern, Verbindungs- und Ein-/Ausgabesystemen eines Computers beziehen. Befehlssatzebene (Instruction Set Architecture, ISA-Level): Auf dieser Ebene werden Entscheidungen gefällt, die den Befehlssatz eines Computers und die dort angestrebte Zielrichtung (z.b. RISC, CISC, VLIW) betreffen. Entscheidungen auf dieser Ebene sind für die Software des Systems sichtbar. Sie beeinflussen vor allem die Zusammenarbeit des Systems mit Betriebssystemen und Compilern. Mikroarchitekturebene (Microarchitectural Level): Auf dieser Ebene werden Entscheidungen getroffen, die sich auf die Prozessor-Implementierung beziehen. Sie dienen beispielsweise der Optimierung der Leistungs-, Energieverbrauchs- oder Zuverlässigkeitseigenschaften des Systems. Die Entscheidungen auf dieser Ebene sind nur teilweise sichtbar für die Systemsoftware und hängen stark von der verfügbaren Technologie ab.

6 Einführung und Grundlagen 13 Wechselwirkungen mit anderen Disziplinen Das Begriffsmodell dient als Basisgerüst und äußerer Rahmen für die systematische Auseinandersetzung mit Analyse- und Design-Aspekten von Computern. Aus dem Begriffsmodell geht auch hervor, dass die Rechnerarchitektur in Wechselbeziehung zu zahlreichen benachbarten Disziplinen wie Compilertechnik, Betriebssystemen oder VLSI-Design steht. 1.1 BEISPIEL B Rechnerarchitektur und Mikroelektronik Besonderen Einfluss auf den Entwurf neuer Rechnerarchitekturen übt die Mikroelektronik aus. Neue Prozesse und Technologien werden es in wenigen Jahren erlauben, eine Milliarde Transistorfunktionen auf einem Chip unterzubringen. Der Rechnerarchitekt hat dann die spannende Aufgabe zu entscheiden, ob er diesen riesigen Ressourcenvorrat für noch leistungsfähigere Einzelprozessoren, Speichermodule, individuelle Systems-on-Chip für Embedded-Anwendungen oder komplette On-Chip-Multiprozessoren verwenden will. 1.2 BEISPIEL Rechnerarchitektur und Multimedia Rechnerarchitekturen müssen stets auch auf neue Anforderungen aus allen relevanten IT-Disziplinen reagieren. In den vergangenen Jahren waren dies häufig leistungshungrige neue Anwendungen aus dem Multimedia- und Internetbereich wie Audio-, Videokompression und Streaming. Das führte zu einem Boom so genannter SIMD-Befehlssatz- und Mikroarchitekturerweiterungen wie MMX, SSE oder AltiVec, die typische Multimedia-Aufgabenprofile beschleunigen. Neben diesen aktuellen Trends könnte sich mittel- bis langfristig auch eine engere Verknüpfung mikroelektronisch realisierter Rechnerarchitekturen mit informationsverarbeitenden Systemen auf biologischer, chemischer oder quantenmechanischer Basis entwickeln. Auf absehbare Zeit wird sich die Rechnerarchitektur jedoch voraussichtlich weiter evolutionär auf der mikroelektronischen Technologieschiene bewegen, wobei zunehmend reichhaltigere Formen des Parallelismus auf der globalen, Befehssatzarchitektur- und Mikroarchitekturebene entstehen werden. Ob sich so revolutionär erscheinende Ansätze wie Quantencomputer, molekulare Informationsverarbeitung oder DNA-Computing in den nächsten Jahren außerhalb reiner Forschungsprojekte etablieren werden, kann derzeit noch nicht entschieden werden. 1.2 Der Weg zum Universalrechner Die Ideen, die dem heutigen Computer-Begriff [Märtin 2001] zugrunde liegen, lassen sich zum Teil auf den britischen Naturwissenschaftler und Erfinder Charles Babbage ( ) zurückführen. Neben automatischen Rechenmaschinen, den Difference Engines,

7 14 Einführung und Grundlagen entwarf er mit seiner mechanischen Analytical Engine ein erstes Computerkonzept mit logisch voneinander getrennten Systemeinheiten, Programmsteuerung durch Lochkarten und universellem Befehlssatz. Die Analytical Engine wurde jedoch nie fertig gestellt und Babbages Forschungsarbeiten gerieten zunächst in Vergessenheit. Der Weg zum digitalen Computer wurde erst ab den 1930er-Jahren von Konrad Zuse mit der rein mechanischen Zuse Z1 (1938) und der relaisgesteuerten Z3 (1941) fortgesetzt. Zuse entwickelte mit der Z1 den ersten programmgesteuerten Computer der Welt. Für die Z1 und die relaisgesteuerte Z3 (1941) entwickelte Zuse auch die Zahlendarstellung im Gleitkommaformat mit Vorzeichen, Mantisse und Exponent. Zuses erste Computer waren jedoch noch keine Universalrechner. Zur Klärung des Universalrechnerbegriffs trugen erst Kurt Gödels Arbeiten zum Algorithmusbegriff und zur Existenz algorithmisch nicht entscheidbarer Probleme (1931) sowie Alan M. Turings Arbeiten zur Berechenbarkeit aus dem Jahr 1936 bei (Definition der Turing-Maschine), die Zuse noch unbekannt waren. Zuses Rechner kannten insbesondere noch keinen bedingten Sprungbefehl, eine für die Universalität eines Rechners wesentliche ISA-Eigenschaft. In Harvard begann Howard Aiken im Jahr 1937 fast zeitgleich mit Zuse mit dem Entwurf eines elektromechanischen Computers auf Relaisbasis, dem Havard Mark I. Dieses System wurde 1944 fertig gestellt und war ebenfalls noch kein Universalrechner, da auch seinem Befehlssatz ein bedingter Sprung und die Möglichkeit zur indirekten Adressierung bzw. selbstmodifizierbarer Programme fehlten. Viele Veröffentlichungen, auch [Hennessy 2002], bezeichnen den Ende 1945 einsatzbereiten Rechner ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) als ersten Universalrechner (General Purpose Computer). Er wurde an der Moore School der University of Pennsylvania von den beiden Ingenieuren J. Presper Eckert und John Mauchly entwickelt und beeindruckte zur damaligen Zeit schon allein durch seine Abmessungen. Er war so groß wie eine Dampflokomotive und wog etwa 100 t. ENIAC arbeitete auf der Basis der damals noch recht anfälligen Vakuum-Röhren, von denen er benötigte, und bewies immerhin die Machbarkeit von Röhrencomputern. Beim ENIAC handelte es sich allerdings keineswegs um einen modernen Computer. Der Rechner arbeitete im Dezimalsystem. Er umfasste 20 jeweils 10 Dezimalziffern breite Rechenregister. Die Programmierung erfolgte nicht über Programmbefehle, sondern datenflussartig über das manuelle Verschalten der Register und Verarbeitungswerke über Kabelverbindungen mit Steckern und Buchsen und das Setzen von zahlreichen Schaltern. Der Befehlssatz erlaubte keine indirekte Adressierung oder selbstmodifizierende Programme, und der Programmfluss wurde statt über Verzweigungsbefehle über die Kabelverbindungen und Schalterstellungen gesteuert. ENIAC war damit noch kein Universalrechner. Bei ENIAC repräsentierte der aktuelle Zustand der Kabelverbindungen und Schalterstellungen jeweils das vom Rechner gerade bearbeitete Programm, während bei den frühen Zuse-Maschinen das Programm extern auf Lochstreifen gespeichert war. Der Mathematiker John von Neumann, der sich gleichzeitig mit Eckert und Mauchly an der University of Pennsylvania aufhielt, fasste die Ideen für einen Stored-Program-Computer zusammen, den Eckert und Mauchly zwar bereits angedacht, im ENIAC aber nicht reali-

8 Einführung und Grundlagen 15 siert hatten. Von Neumann konkretisierte die Ideen in einem internen Arbeitspapier, in dem er schon 1944 einen Universalrechner EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) beschrieb. Im Jahr 1946 veröffentlichten von Neumann und seine Mitarbeiter Burks und Goldstine, die inzwischen am Institute of Advanced Studies in Princeton arbeiteten, den auf dem ursprünglichen Arbeitspapier basierenden revolutionären Bericht Preliminary discussion of an electronic computing instrument für das U.S.-Verteidigungsministerium. Dieses Papier wurde zur Grundlage für die meisten der in den nachfolgenden Jahren realisierten Rechnerprojekte. Der in Princeton nach diesen Prinzipien konzipierte Universalrechner, genannt IAS, wurde aber von Bigelow erst im Jahr 1952 fertig gestellt. An der University of Cambridge, England, leitete Maurice Wilkes, der die Arbeiten in Princeton kannte, ein Team, das 1949 den so genannten EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) mit den ersten Programmen zum Laufen brachte. Der Name bezieht sich auf die mit Quecksilber gefüllten Röhren, an deren Enden sich Quarzkristalle befanden. Mehrere elektronische Pulse konnten gleichzeitig jeweils an einen der Quarzkristalle angelegt und wie Tischtennisbälle mit Ultraschallgeschwindigkeit zwischen den beiden Quarzkristallen hin und herbewegt, immer wieder verstärkt und beliebig lange gespeichert werden. Die Maschine verwendete das binäre Zahlensystem zum Rechnen und ein bitparalleles Rechenwerk. EDSAC realisierte alle im EDVAC-Papier vorgeschlagenen Universalrechner-Eigenschaften und besaß einen universellen Befehlssatz mit 18 Befehlen einschließlich eines bedingten Sprungbefehls. EDSAC benutzte ein Akkumulator-Register. Das heißt: Einer der Operanden sowie das durch eine Operation enstehende Zwischenergebnis befanden sich stets im Akkumulator-Register, was die Komplexität der Maschine und des Befehlssatzes vereinfachte. Aber bereits ein Jahr zuvor, also 1948, hatten Williams und Kilburn an der University of Manchester den Mark I in Betrieb genommen, der zum Speichern eine spezielle Variante der Kathodenstrahl-Röhre verwendete. Dieser Rechner war aus heutiger Sicht der erste funktionsfähige Universalrechner. Im Gegensatz zum EDSAC verwendete er jedoch noch die langsamere bitserielle Arithmetik. Anfang der 1950er-Jahre etablierten sich die ersten kommerziellen Universalrechner- Systeme: Eckert und Mauchly entwickelten für Remington Rand den UNIVAC I, der bereits bei den Präsidentschaftswahlen 1952 zur Darstellung der Ergebnisse eingesetzt wurde. Wenige Jahre später entwickelten auch so bekannte Firmen wie IBM und Siemens erste Universalrechner-Familien. Weitere Informationen zur Geschichte des Computers finden sich in [Märtin 2001] und auf der CD ( CASA Lektion 2).

9 16 Einführung und Grundlagen 1.3 Struktur und Funktion des klassischen Universalrechners Die Kenntnis der Architektur und Arbeitsweise des klassischen Universalrechners [Märtin 2001], [Kelch 2003] erleichtert das Verständnis aller später gebauten Computer und erleichtert den Einstieg in die Rechnerklassifikation Grundeigenschaften Die Architektur des klassischen Universalrechners ist charakterisiert durch die logische und räumliche Unterteilung der Teilwerke: Speicherwerk. Das Speicherwerk dient der Abspeicherung von Programmen und Daten. Es enthält ein Daten- und ein Adressregister. Der Speicher ist in Speicherzellen eingeteilt. Jede Zelle hat eine Breite von w Bit (w ist die Wortlänge des Rechners). Rechenwerk. Das Rechenwerk (ALU Arithmetic Logic Unit) führt Verknüpfungsoperationen aus. Es enthält ein w-bit-verknüpfungswerk, ein Akkumulator- und mindestens ein weiteres Register (Multiplikandenregister). Daneben kann ein Multiplikator-/Quotientenregister vorhanden sein, das mit dem Akkumulator-Register (Akku) zu einem erweiterten Akkumulator gekoppelt werden kann. Die Register sind w Bit breit. Leitwerk. Das Leitwerk (auch Steuerwerk oder Control Unit) enthält neben dem Befehlsregister und dem Befehlszähler eine Einheit zur Befehlsentschlüsselung (Decodierung) und eine Einheit zur Steuerung der Befehlsausführung. Ein-/Ausgabewerk. Das Ein-/Ausgabewerk dient der Übernahme oder Übergabe von Programmen und Daten von/an Externspeichereinheiten. Kommunikationsbus. Ein einzelner Bus verbindet die Teilwerke des Rechners miteinander. Er kann in Abhängigkeit von der angelegten Adresse bitparallel jeweils ein Befehls- oder Datenwort der Länge w Bit übertragen. Daneben sind Steuerleitungen vorhanden, die Steuersignale und Rückmeldungen zwischen dem Leitwerk und den anderen Rechnerteilwerken übertragen. Prozessor. Der Prozessor (Central Processing Unit, CPU) des klassischen Universalrechners besteht dabei aus dem Leitwerk und dem Rechenwerk. Der jeweilige Prozessorzustand ist bestimmt durch den aktuellen Inhalt aller Register des Leitwerks und aller Register des Rechenwerks. Darüber hinaus sind Universalrechner auch durch die gewählte Problemrepräsentation und Speicherorganisation gekennzeichnet: Problemrepräsentation. Jedes Problem wird durch ein Programm repräsentiert, das von außen übergeben und im Speicher abgelegt wird. Programme setzen sich aus den Befehlen des Befehlssatzes des Rechners zusammen. Befehlssatz. Der Befehlssatz enthält neben arithmetischen, logischen und Shift- Operationen auch unbedingte und bedingte Sprungbefehle sowie Speicherbefehle. Speicherorganisation. Jede Speicherzelle wird über eine eindeutige Adresse angesprochen. Die Speicherzellen sind fortlaufend durchnummeriert.

10 Einführung und Grundlagen 17 Befehlsadressierung. Jeder Befehl eines Programmes verweist auf einen Nachfolgebefehl, im Falle von Verzweigungsbefehlen auf mehrere mögliche Nachfolgebefehle. Sie werden im Allgemeinen aus Speicherzellen geholt, die auf den zuletzt ausgeführten Befehl folgen. Bei ausgeführten Sprüngen wird die Programmausführung mit dem Befehl aus der Speicherzelle mit der Sprungzieladresse fortgesetzt. Operandenadressierung. Ein Programmbefehl verweist über Adressen auf die jeweils zu bearbeitenden Daten. Adressen können wie Daten behandelt und modifiziert werden. Auch Befehle können gegebenenfalls wie Daten behandelt werden Arbeitsweise 1.2 BILD Struktur des klassischen Universalrechners Befehlszähler Befehlsregister Leitwerk Funktionsentschlüsselung Befehlsausführungssteuerung Steuerleitungen/Rückmeldungen Datenregister Adressregister W-Bit Speicherwerk Speicher Rechenwerk Verknüpfungswerk Multiplikandenregister Akkumulator, Multiplikator-/Quotientenregister System-Bus (Befehle und Daten) E-/A-Werk Ein-/Ausgaberegister In einem wie in Bild 1.2 organisierten klassischen Universalrechner ist die Befehlsabarbeitung in drei Phasen unterteilt: Befehlsholphase, Befehlsentschlüsselungsphase und Befehlsausführungsphase. Die Phasen werden nacheinander und ohne Überlappungen ausgeführt und leisten Folgendes ( CASA Lektion 3: Animation des Universalrechners): 1. Befehlsholphase. Der Inhalt des Befehlszählers wird in das Adressregister des Speicherwerks geladen, das damit auf den nächsten Programmbefehl verweist. Der

11 18 Einführung und Grundlagen Befehl wird aus der Speicherzelle in das Datenregister kopiert und von dort an das Befehlsregister übertragen. Der Befehlszähler wird inkrementiert. 2. Befehlsentschlüsselungsphase. Jeder Befehl besteht aus dem Opcode, der den Befehlstyp identifiziert, und einem Restanteil, der Adressinformationen für einen Operanden enthält (Einadressbefehle). Der Opcode wird von der Funktionsentschlüsselungseinheit decodiert und an die Ausführungssteuerung übergeben. 3. Befehlsausführungsphase. Die Ausführungssteuerung aktiviert je nach Befehlstyp Steuerleitungen und Datenübertragungen, die für den jeweiligen Befehlstyp benötigt werden, und überwacht die Durchführung der Operationen. Die Ausführungssteuerung ist ein wesentlicher Bestandteil eines Rechnerleitwerks. Bei modernen Computersystemen kann die Ausführungssteuerung durch festverdrahtete Hardware, ein Mikroprogrammwerk oder durch Mischformen beider Techniken realisiert sein. Je nach Befehlstyp werden unterschiedliche Abläufe aktiviert: Bei Verknüpfungsbefehlen wird der durch den Restanteil identifizierte Speicheroperand geholt und ins Multiplikandenregister geladen. Anschließend wird er mit dem Akkumulatorinhalt verknüpft. Das Ergebnis liegt dann im Akkumulator oder erweiterten Akkumulator vor. Bei Speicherbefehlen (Store) wird die Adresse aus dem Restanteil des Befehlsregisters in das Adressregister geladen. Soll eine Speicheroperation durchgeführt werden, wird der Akkumulatorinhalt in das Datenregister und von dort in die adressierte Speicherzelle übertragen. Bei einer Ladeoperation (Load) wird der Speicherzelleninhalt erst in das Datenregister, danach in das Multiplikandenregister übertragen. Bei bedingten Sprungbefehlen wird zunächst die logische Bedingung ausgewertet, beispielsweise ein Test, ob der Akkumulatorinhalt gleich, größer oder kleiner null ist. Sie entscheidet darüber, ob der Sprung durchgeführt wird oder nicht. Bei bedingten und unbedingten Sprungbefehlen wird die ermittelte oder explizit angegebene Sprungadresse aus dem Restanteil des Befehlsregisters in den Befehlszähler übertragen. Solange kein Reset- oder Stopp-Befehl auftritt, beginnt der Befehlsabarbeitungszyklus von vorn. Zum Abspeichern des Ergebnisses muss ein eigener Speicherbefehl mit vollständigem Abarbeitungszyklus durchgeführt werden. Damit wird der Akkuinhalt über den Bus an die im Speicherbefehl bezeichnete Adresse übertragen Leistungsengpässe Im klassischen Universalrechner ist ein Leitwerk für die Steuerung verantwortlich, ein starres Rechenwerk für die Ausführung der Operationen, ein Speicherwerk für die Ablage von Programmen und Daten, ein Ein-/Ausgabewerk für die Ansteuerung von Peripheriegeräten und ein gemeinsamer Bus für die Übertragung von Daten und Befehlen. Der Befehlsabarbeitungszyklus ist in drei nicht überlappte Teilphasen unterteilt, die der eine gerade bearbeitete Befehl nacheinander durchläuft. Diese Eigenschaften wirken sich als Flaschenhals für die Rechnerleistung aus. Nur durch Verfeinerung, evolutionäre Veränderung der ursprünglichen Universalrechnerarchitektur oder radikale Abkehr von deren Eigenschaften sind die beträchtlichen Fortschritte in der Leistung und Flexibilität von Rechnern in den letzten Jahrzehnten möglich gewesen.

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