Informatik 12 Kapitel 3 - Funktionsweise eines Rechners

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1 Fachschaft Informatik Informatik 12 Kapitel 3 - Funktionsweise eines Rechners Michael Steinhuber König-Karlmann-Gymnasium Altötting 9. Februar 2017 Folie 1/36

2 Inhaltsverzeichnis I 1 Komponenten eines PCs 2 Geschichte der Computersysteme 3 Von-Neumann-Prinzip 4 Die Registermaschine 5 Systemnahe Programmierung 6 Der Speicher der Minimaschine 7 Assemblerprogrammierung Folie 2/36

3 3.1 Komponenten eines PCs Komponenten eines PCs Gehäuse Netzteil Mainboard CPU Arbeitsspeicher Folie 3/36

4 Netzteil Stromversorgung für alle Komponenten des PCs Folie 4/36

5 Mainboard Zentrale Komponente des PCs, auf der alle anderen Komponenten miteinander verbunden werden. Folie 5/36

6 CPU Zentrale Recheneinheit Folie 6/36

7 Arbeitsspeicher Speicher für die aktuell ausgeführten Programme und Daten. Folie 7/36

8 3.2 Geschichte der Computersysteme Folie 8/36

9 3.3 Von-Neumann-Prinzip Ein Von-Neumann-Rechner besteht aus den folgenden Komponenten a : ALU (Arithmetic Logic Unit das Rechenwerk), auch Prozessor genannt, führt Rechenoperationen und logische Verknüpfungen durch. Control Unit - Steuerwerk oder Leitwerk, interpretiert die Anweisungen eines Programms, und verschaltet dementsprechend Datenquelle, -senke und notwendige ALU-Komponenten; das Steuerwerk regelt auch die Befehlsabfolge. a Quelle: Folie 9/36

10 3.3 Von-Neumann-Prinzip Memory - Speicherwerk speichert sowohl Programme als auch Daten, welche für das Rechenwerk zugänglich sind. I/O Unit - Eingabe-/Ausgabewerk steuert die Ein- und Ausgabe von Daten, zum Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen (Schnittstellen). Folie 10/36

11 3.4 Die Registermaschine I Eine Registermaschine besitzt eine Abstraktion der Von-Neumann-Architektur. Sie besteht aus den folgenden Komponenten: 1 Folie 11/36

12 3.4 Die Registermaschine II Eine zentrale Recheneinheit, die einen Programmzähler und den Akkumulator (= Register) enthält. Des weiteren gibt es drei Statusregister, die Informationen über die letzte Operation ausgeben(z : Ergebnis 0, N : Ergebnis <0, V : Überlauf bei der letzten Operation). Ein Speicher mit abzählbar unendlich vielen Speicherzellen (Register) mit den Adressen 0,1,2,... Jedes dieser Register kann eine Zahl aus N speichern. Einen Daten- und einen Adressbus für die Übertragung von Befehlen und Daten zwischen dem Speicher und der zentralen Recheneinheit. Ein Programm ist eine endliche numerische Folge von Befehlen. 1 Minimaschine von Albert Wiedemann Folie 12/36

13 3.4 Die Registermaschine Befehlszyklus Folie 13/36

14 3.5 Systemnahe Programmierung Minimaschine: Einfache Addition # Programm LOAD S1 ADD S2 STORE S HOLD # Daten S1: WORD 3 S2: WORD 4 S: WORD 0 Folie 14/36

15 # Symbolbild Beschreibung Programmstart: Der Programmzähler steht auf 0. Akkumulator und Statusregister sind im 1 Standardzustand. Das Programm und die benötigten Daten befinden sich im Speicher. Folie 15/36

16 2 Befehl laden (= Fetch instruction): Das Steuerwerk legt die Adresse 0 (Programmzähler) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 276) der Speicherzelle 0 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in das Befehlsregister. Der Programmzähler wird um eins erhöht. Folie 16/36

17 3 Das Steuerwerk legt die Adresse 1 (Programmzähler) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 6) der Speicherzelle 1 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in das Befehlsregister. Folie 17/36

18 4 Befehl dekodieren (= Decode instruction): Das Steuerwerk analysiert den ersten Wert, der im Befehlsregister steht und ordnert ihm eine Aktion (hier LOAD) zu. Folie 18/36

19 5 Befehlsoperanden laden (= Fetch operands): Das Steuerwerk legt die Adresse 6 (Befehlsregister) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 3) der Speicherzelle 6 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in den Akkumulator. Folie 19/36

20 6 Befehl ausführen (= Execute): Da es sich um einen LOAD- Befehl handelt, wird nichts weiteres ausgeführt. Folie 20/36

21 7 Befehl laden (= Fetch instruction): Das Steuerwerk legt die Adresse 2 (Programmzähler) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 266) der Speicherzelle 2 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in das Befehlsregister. Der Programmzähler wird um eins erhöht. Folie 21/36

22 8 Das Steuerwerk legt die Adresse 3 (Programmzähler) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 7) der Speicherzelle 3 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in das Befehlsregister. Folie 22/36

23 9 Befehl dekodieren (= Decode instruction): Das Steuerwerk analysiert den ersten Wert, der im Befehlsregister steht und ordnert ihm eine Aktion (hier ADD) zu. Folie 23/36

24 10 Befehlsoperanden laden (= Fetch operands): Das Steuerwerk legt die Adresse 7 (Befehlsregister) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 4) der Speicherzelle 7 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in den Eingang der ALU. Folie 24/36

25 11 12 Befehl ausführen (= Execute): Jetzt liegen die beiden Summanden an der ALU an. Das Ergebnis der Operation (hier Addition) wird wieder in den Akkumulator geschrieben. Gegebenenfalls werden die Statusregister gesetzt (hier nicht). Ausgangszustand vor nächstem Befehl Folie 25/36

26 13 Befehl laden (= Fetch instruction): Das Steuerwerk legt die Adresse 4 (Programmzähler) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 277) der Speicherzelle 4 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in das Befehlsregister. Der Programmzähler wird um eins erhöht. Folie 26/36

27 14 Das Steuerwerk legt die Adresse 5 (Programmzähler) an den Adressbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt (hier 8) der Speicherzelle 5 auf den Datenbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in das Befehlsregister. Folie 27/36

28 15 Befehl dekodieren (= Decode instruction): Das Steuerwerk analysiert den ersten Wert, der im Befehlsregister steht und ordnert ihm eine Aktion (hier STORE) zu. Folie 28/36

29 16 Ergebnis speichern (= Store results): Das Steuerwerk legt die Adresse 8 (Befehlsregister) an den Adressbus. Das Steuerwerk schreibt den Inhalt des Akkumulators (hier 7) auf den Datenbus. Das Speicherwerk schreibt den Inhalt des Datenbuses in die Speicherzelle 8. Folie 29/36

30 Übungen zur Minimaschine Übungsaufgaben zur Minimaschine Betrag der Differenz zweier Zahlen Division zweier Zahlen Gerade Zahlen halbieren, ungerade verdoppeln Multiplikation zweier Zahlen Summe aller ungerader Zahlen GGT mit Euklid Primzahlentest KGV Folie 30/36

31 3.6 Der Speicher der Minimaschine 16-Bit Speicherzellen Die Speicherzellen der Minimaschine beinhalten 16-Bit binärzahlen. Dabei ist das vorderste Bit das Vorzeichenbit. Der Wertebereich liegt dabei zwischen [ 32768; 32767]. Folie 31/36

32 3.6 Der Speicher der Minimaschine Folie 32/36

33 Rechenfehler - oder? Die Minimaschine hat 16 Bit Speicherbreite. 1 Erstelle ein Minimaschienen-Programm zur Addition zweier Zahlen. Teste es mit Zahlen unter Verwende das Programm aus a) zur Addition der Zahlen und Wie lautet das Ergebnis? Erkläre seinen Wert mithilfe von Überlegungen zum begrenzten Zahlenbereich (Zahlenkreis). Kontrolliere den Zustand der Flags. 3 Erstelle ein Programm für die Addition der beiden Zahlen und Zur Ausgabe des Ergebnisses sollen diesesmal zwei Speicherzellen verwendet werden. Folie 33/36

34 3.7 Assemblerprogrammierung Folie 34/36

35 3.7 Assemblerprogrammierung Folie 35/36

36 3.7 Assemblerprogrammierung Folie 36/36

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