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1 31. Oktober 2002 ZENTRALEINHEITEN GRUPPE 2 Rita Schleimer IT für Führungskräfte WS 2002/03 1

2 Rita Schleimer TEIL 1 - Inhalt Zentraleinheit - Überblick Architekturprinzipien Zentralspeicher IT für Führungskräfte WS 2002/03 2

3 Rita Schleimer Zentraleinheit - Überblick Eine Zentraleinheit (engl.: central unit) beinhaltet Zentralspeicher, Zentralprozessor(en), und eventuell weitere Spezialprozessoren, Verbindungseinrichtungen (Busse), Ein-/Ausgabe-Steuerung, Stromversorgung und sonstige für den Betrieb nötige Zusatzeinrichtungen (wie beispielsweise Kühlung). H.R. Hansen, G. Neumann: Wirtschaftsinformatik I, 8. Auflage, S IT für Führungskräfte WS 2002/03 3

4 Rita Schleimer Von-Neumann-Architektur (1) Die von-neumann-maschine besteht aus 5 Einheiten: Steuerwerk Rechenwerk Speicher Eingabewerk Ausgabewerk Problem: von-neumann-flaschenhals IT für Führungskräfte WS 2002/03 4

5 Rita Schleimer Von-Neumann-Architektur (2) Prozessor Rechenwerk Steuerwerk Arbeitsspeicher Befehle Daten Eingabe-/Ausgabe-Steuerung IT für Führungskräfte WS 2002/03 5

6 Rita Schleimer Alternative Architekturprinzipien Single-Instruction-Single-Data-Rechner Single-Instruction-Multiple-Data-Rechner Multiple-Instruction-Multiple-Data-Rechner Eng gekoppelte Mehrprozessorsysteme Lose gekoppelte Mehrprozessorsysteme Multiple-Instruction-Single-Data-Rechner IT für Führungskräfte WS 2002/03 6

7 Rita Schleimer Zentralspeicher sind in der Zentraleinheit befindliche Speicher direkter Zugang von dem/den zentralen Prozessor(en) der Ein-/Ausgabesteuerung Arten: Arbeitsspeicher Pufferspeicher Registerspeicher Mikroprogrammspeicher IT für Führungskräfte WS 2002/03 7

8 Rita Schleimer Arbeitsspeicher enthält laufende Programme und dafür benötigte Daten Prozessor greift dort auf die Befehle und Daten zu Prozessor führt die Befehle aus und schickt die Ergebnisse an den Arbeitsspeicher zurück Schreib-/Lesespeicher flüchtige Speicherchips RAM (Random Access Memory) Hinweis: ROM (Read Only Memory); BIOS IT für Führungskräfte WS 2002/03 8

9 Rita Schleimer Aktuelle Daten SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) - besteht aus sich entladenden Kondensatoren - Speicherzugriff erfolgt synchron zum Bustakt - höhere Leistung als alte DRAMs DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) - Weiterentwicklung der SDRAM-Technik - Nutzung beider Flanken des Systembustaktes - doppelte Datenrate Eckdaten DDR: 128/256/512 MB mit 133/166/200 MHz IT für Führungskräfte WS 2002/03 9

10 Rita Schleimer Pufferspeicher (Cache) nimmt Daten vorrübergehend auf, die von einer Funktionseinheit zur anderen übertragen werden Ausgleich unterschiedlicher Geschwindigkeiten verschiedener Einheiten (z.b.: Zentraleinheit und E/A- Geräte) Cache: Pufferspeicher zwischen Arbeitsspeicher und Zentralprozessor Bereitstellung der nächsten Befehle und Daten aus dem Arbeitsspeicher für den Prozessor IT für Führungskräfte WS 2002/03 10

11 Rita Schleimer Registerspeicher kurzzeitige Speicherung von Angaben, die während der Verarbeitung sofort wieder abrufbar sein müssen schnellerer Zugriff als auf Arbeitsspeicher Anwendungsbeispiele bei Prozessorregister: Adressen und Operanden im Programmablauf Zwischenergebnisse bei arithmetischen Operationen IT für Führungskräfte WS 2002/03 11

12 Rita Schleimer Mikroprogrammspeicher bei Rechnern ohne auf dem Chip festgelegte Schaltung für den Ablauf von Befehlen stellt Mikroinstruktionen für die Erzeugung von Befehlen zur Verfügung IT für Führungskräfte WS 2002/03 12

13 Rita Schleimer Speicherhierarchie Quelle: Hansen, irtschaftsinformatik I, S.660 Abnehmende Zugriffszeit Register L1-Cache L2-Cache Arbeitsspeicher Erweiterungsspeicher Magnetplattenspeicher Optischer Plattenspeicher Zunehmende Kapazität IT für Führungskräfte WS 2002/03 13

14 Rita Schleimer Zentralspeicher Pufferspeicher Arbeitsspeicher Zentralprozessor Register Ein-Ausgabe-Prozessor Register Mikroprogrammspeicher Mikroprogrammspeicher Quelle: Hansen, Wirtschaftsinformatik I; S. 656 IT für Führungskräfte WS 2002/03 14

15 TEIL 2 - Inhalt Zentralprozessor Interne Verbindungseinrichtungen Ein-/Ausgabesteuerung IT für Führungskräfte WS 2002/03 15

16 Zentralprozessor (CPU)...ist eine Funktionseinheit der Zentraleinheit und besteht aus: Leitwerk und Rechenwerk IT für Führungskräfte WS 2002/03 16

17 Leitwerk (=Steuerwerk) holt Befehle aus dem Arbeitsspeicher steuert den Programmablauf enthält eine Reihe von Registern IT für Führungskräfte WS 2002/03 17

18 Register Befehlsregister Befehlsdecoder Befehlszähler Spezialregister IT für Führungskräfte WS 2002/03 18

19 Rechenwerk (ALU) ALU = Arithmetic Logical Unit besteht im wesentlichen aus Registern und binären Schaltnetzen Verknüpfung der vom Leitwerk empfangenen Daten führt arithmetische und logische Operationen durch IT für Führungskräfte WS 2002/03 19

20 Wie arbeitet der Prozessor? (1) 1. Befehlszähler wird mit Anfangsadresse geladen 2. Leitwerk holt Befehl, auf den der Befehlszähler zeigt 3. Befehl wird in Befehlsregister geladen 4. Befehlszähler wird erhöht IT für Führungskräfte WS 2002/03 20

21 Wie arbeitet der Prozessor? (2) 5. Entschlüsselung durch Befehlsdecoder 6. Weiterleitung der Steuersignale und Datenadressen an ausführende Einheiten (Rechenwerk, Leitwerk, Arbeitsspeicher, EA-Prozessor,...) 7. bei Bedarf laden der Daten in ein CPU Register 8. Ausführung der Instruktion IT für Führungskräfte WS 2002/03 21

22 Aktuelle Daten CISC-Prozessoren RISC-Prozessoren Derzeitige Prozessoren bewegen sich in der Größenordnung zwischen 1,2 und 2,8 GHz IT für Führungskräfte WS 2002/03 22

23 Interne Verbindungseinrichtungen Aufgabe: zum Austausch von Informationen zwischen Zentralprozessor, Hauptspeicher und Peripherie Innerhalb der Zentraleinheit unterscheidet man Busse: nach der Art der transportierten Information nach den verbundenen Komponenten IT für Führungskräfte WS 2002/03 23

24 Nach der Art der transportierten Information Datenbus: transportiert Daten aus dem Arbeitsspeicher zum Prozessor und zurück Adressbus: ist für die Übermittlung von Speicheradressen zuständig Steuerbus: legt fest, ob Daten geschrieben oder gelesen werden sollen IT für Führungskräfte WS 2002/03 24

25 Nach den verbundenen Komponenten CPU-Bus: interner externer Peripherie-Bus = I/O-Bus IT für Führungskräfte WS 2002/03 25

26 Übersicht Busse CPU Externer CPU-Bus RAM Interner CPU-Bus Bridge I/O-Bus Peripherie IT für Führungskräfte WS 2002/03 26

27 Peripherie-Busse ISA (Industry Standard Architecture) PCI (Peripheral Component Interconnect) USB (Universal Serial Bus) AGP (Accelerated Graphics Port) IT für Führungskräfte WS 2002/03 27

28 Ein-/Ausgabesteuerung verbindet die Zentraleinheit mit der Peripherie E/A-Register E/A-Unterbrechungen E/A-Speicher DMA (Direct Memory Access) IT für Führungskräfte WS 2002/03 28

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