2. Computer (Hardware) K. Bothe, Institut für Informatik, HU Berlin, GdP, WS 2015/16

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1 2. Computer (Hardware) K. Bothe, Institut für Informatik, HU Berlin, GdP, WS 2015/16 Version: 14. Okt. 2015

2 Computeraufbau: nur ein Überblick Genauer: Modul Digitale Systeme (2. Semester) Jetzt: Grundverständnis für Abarbeitung von Programmen in der Maschinensprache Grundlegendes Architektur-Prinzip: Von-Neumann-Rechner" John von Neumann, 1945 konzipiert, alle heutigen Rechner davon geprägt K. Bothe, Institut für Informatik, HU Berlin, GdP, WS 2015/16 Johann von Neumann Haus / Österreichisch-ungarischer Mathematiker geb. Budapest 1903, gest. Washington 1957, Dozent an Berliner Universität 2

3 3 Von-Neumann-Rechner... aber wo?

4 4 Einfacher Von-Neumann-Rechner mit Peripherie Peripherie Konsole Tastatur (+Maus) Bildschirm (Monitor) Drucker Plattenspeicher CD- Laufwerk Prozessor (CPU - central processing unit) Steuerwerk (Programmablauf) Register: Befehle Rechenwerk (einzelner Befehl) Register: Operanden E/A Prozessor Bus (Verbindung) Hauptspeicher (Arbeitsspeicher)

5 5 Bestandteile des Von-Neumann-Rechners Prozessor (CPU) - Steuerwerk (Ablauf der Befehle) mit Befehlszähler und Befehlsregister - Rechenwerk (einzelne Befehle) mit Registern für Operanden: ALU Arithmetic Logic Unit (Register: spezielle Speicher, extrem kurze Zugriffszeiten) Hauptspeicher (Arbeitsspeicher) - Daten und Programme (!) - unterteilt in adressierbare Speicherzellen konstanter Länge (1 Byte = 8 Bit, 1 Wort = 2, 4 o. 8 Byte) Verbindungen (Bus) Ein-/Ausgabe-Prozessoren - Spezialprozessoren - Beschleunigung durch Parallelisierung

6 Beispiel: Inhalt Hauptspeicher (reales Beispiel) K. Bothe, Institut für Informatik, HU Berlin, GdP, WS 2015/16 6 Hier: Wortadresse (1 Wort = 4 Byte) Wer erkennt dargestellte Informationen? Adresse Inhalt

7 Speicherinhalt: Befehle und Daten Adresse Inhalt Befehl dekodiert: Maschinenbefehl JUMP Daten dekodiert: ganze Zahl 5 Probleme: Adresse 60233: könnte auch Zahl repräsentieren: Welche? Wer entscheidet: Zahl oder Befehl gemeint? K. Bothe, Institut für Informatik, HU Berlin, GdP, WS 2015/16 7

8 8 Speicherinhalt dekodiert Speicher: Programm Speicher: Daten Adresse (Dekodierter) Inhalt STORE ''1'' LOAD A LOAD B TEST-EQU-0 B JUMPCOND A := 2 * A B := B JUMP STORE A Was passiert? A, B: Register MR A 2: A := 2 * A SR B 1: B := B - 1 Adresse Inhalt (y) (x)

9 9 Originalprogramm Prozedur in Pascal entspricht obigem Maschinenprogramm mit y in Zelle x in Zelle FUNCTION zweihoch(x:integer):integer; VAR y: INTEGER; BEGIN y := 1 ; WHILE x > 0 DO BEGIN y := 2 * y ; x := x - 1 ; END; RETURN y; END zweihoch;

10 Prozessor Befehlszähler Adresse Register A 1 Wert von y Befehlsregister LOAD B Register B 5 Wert von x Steuerwerk Register C aktueller Maschinenbefehl - Wert Arbeit des Computers: Ausführen der festgelegten Folge von Befehlen Speicherinhalte ändern sich: Genau so? K. Bothe, Institut für Informatik, HU Berlin, GdP, WS 2015/16 Speicherzelle: y Speicherzelle: x Initialisierung Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt 32 0 Statt Hauptspeicherzellen in Registern 10

11 11 Arbeitsweise Von-Neumann-Rechner" sequentielle Arbeit (Befehle nacheinander) Steuerwerk der CPU: Sequentielle Ausführung der Befehlsfolge: Befehl des Befehlsregisters ausführen nächsten Befehl des Programms laden (neuer Inhalt: Befehlszähler, Befehlsregister) ( fortlaufend bzw. programmierter Sprung) Rechenwerk der CPU: Aktuelle arithmetische und logische Operation ausführen: Arithmetik (z.b. ADD, SUB, MUL...) Logik (z.b. Test auf Gleichheit: TEST-NOT-0)

12 12 Maschinensprache - Assemblersprache Maschinensprache: kodiert, nicht lesbar Assemblersprache: "lesbare" Variante JUMP Assembler (Übersetzerprogramm): Assemblersprache Maschinensprache

13 Computer K. Bothe, Institut für Informatik, HU Berlin, GdP, WS 2015/

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