4 Der Von-Neumann-Rechner als Grundkonzept für Rechnerstrukturen

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Valentin Hochberg
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1 4 Der Von-Neumann-Rechner als Grundkonzept für Rechnerstrukturen Ein Rechner besteht aus den folgenden Bestandteilen: Rechenwerk Rechenoperationen wie z.b. Addition, Multiplikation logische Verknüpfungen wie z.b. ODER, UND Steuerwerk (Leitwerk) Interpretiert Programmbefehle steuert Ausführung der Befehle Speicher enthält Daten und Programme schneller Zugriff Ein-/Ausgabe 37

2 einlesen und ausgeben von Daten/Programmen Weitere Prinzipien sind: Speicherprogrammierung (Universalrechner) Struktur des Rechners unabhängig von der zu bearbeitenden Aufgabe Bearbeitungsvorschrift (Programm) wird für jede Aufgabe eingegeben und im Speicher abgelegt Gleichheit von Daten und Programmen Ablage in einheitlichem Speicher, d.h. Programme sind auch Daten Adress-Speicherung Jeder Speicherplatz erhält eine numerische Adresse Daten sind über diese Adresse abrufbar Sequentielle Programmspeicherung Einzelschritte der Bearbeitungsvorschrift werden in aufeinanderfolgenden Speicheradressen abgelegt Bestimmen des nächsten Befehls erhöhe Adresse des aktuellen Befehls um 1 Verfügbarkeit von Adress-Sprüngen Sprungbefehl: Operand dieses Befehls enthält Adresse des nächsten Befehls Verfügbarkeit bedingter Sprungbefehle Nach Ausführung des aktuellen Befehls (Adresse a) wird mit dem Befehl aus Adresse b a + 1 fortgesetzt falls Bedingung p erfült ist Programmablauf von Zwischenergebnissen abhängig 38

3 4.1 CPU (Central Processing Unit) Neben dem Rechen- und dem Steuerwerk werden noch eine Reihe von Registern benötigt, die den geregelten Datenaustausch und ein ordnugsgemäßes Arbeiten ermöglichen. AR : Allgemeine Register für Operanden und Ergebnisse SPR: Speicher-Puffer-Register kommuniziert mit dem Speicher SAR: Speicher-Adress-Register enthält Adresse des nächsten Speicherzugriffs BR : Befehlsregister enthält aktuellen Befehl PZ : Programmzähler enthält Adresse des nächsten Befehls ALU: Algorithmisch-Logische-Einheit Ein Maschinenbefehl (kleinste Funktionseinheit eines Programms) besteht aus: Operationscode Operanden bzw. Adresse von Operanden Operationscode (8 Bit) 256 mögliche Befehle Operand 39

4 Befehlsarten: 1. Ein-/Ausgabebefehle Lesen und Schreiben auf Peripheriegeräte 2. Speicher- und Transferbefehle Laden von Daten aus dem Speicher Schreiben von Daten in den Speicher Transfer von einem Speicherplatz zu einem Anderen 3. Arithmetische Befehle Addition Multiplikation. 4. Logische Befehle Vergleichsoperationen Verknüpfungsoperation 5. Shift-Befehle Verschieben nach links oder rechts z.b. Links-Shift Sprungbefehle bedingte und unbedingte Sprünge 7. Unterprogrammaufruf und -beendigung In den 80er Jahren Trend zu komplexen Befehlen Konstrukte höherer Programmiersprachen direkt umsetzen Complex Instruction Set Computer (CISC) Heute möglichst wenige einfache Befehle (meist innerhalb eines Taktes ausführbar), die fest verdrahtet sind Reduced Instruction Set Computer (RISC) Befehlszyklus 40

5 1. Befehl holen Programm(Befehls)zähler enthält die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls PZ SAR <SAR> SPR <SAR> = Inhalt der Speicheradresse (<SAR> Adressbus Arbeitsspeicher Datenbus SPR) SPR BR 2. Programm(Befehls)zähler erhöhen P Z := P Z + 1 (falls keine Sprunganweisung) (PZ enthält Adresse des nächsten auszuführenden Befehls) 3. Befehl decodieren Decodierung des Operationscodes Berechnung der effektiven Adresse des Operanden (siehe Adressierungsarten) SAR 4. Operanden holen <SAR> SPR je nach Befehl: SPR spezielles Register von AR 5. Befehl ausführen decodierte Steuersignale ausführen z.b. Rechenwerk aktivieren Berechnung der Speicheradresse des Operanden Impliziter Modus Befehl bezieht sich auf vorgegebenes Register z.b. Bringe Inhalt von AKKU in den Hauptspeicher (Adresse des Operanden ist Zieladresse) Registermodus Operand steht in einem Register, d.h. Adressangabe im Befehl bezeichnet ein Register 41

6 Unmittelbarer Modus Im Operandenteil steht der Operand selbst (und nicht seine Adresse), z.b. LDI 3 (load immediate) Direkter Modus Im Operandenteil steht die Hauptspeicheradresse des Operanden Indirekter Modus Im Operandenteil steht die Adresse einer Hauptspeicherstelle, die die Adresse des Operanden enthält z.b. Lade indirekt 3 interpretiert den Inhalt der Speicheradresse 3 als Adresse im Haupspeicher und holt den Wert zu dieser Adresse Indirekter Registermodus Im Operandenteil wird ein Register angegeben, das die effektive Adresse enthält 4.2 Speicher Gatterschaltzeiten vernachlässigbar gegenüber Speicherzugriffszeiten effizienter Speicherzugriff bestimmt Rechnergeschwindigkeit je schneller der Speicher desto teurer ist er andererseits erleichtert viel Speicher übersichtliche Programme keine explizite Speicheroptimierung bei der Programmerstellung (Speicherverbrauch möglichst kein Kriterium bei Programmentwicklung) = Speicherhierarchie von wenig aber extrem schnellen Speicher hin zu viel aber langsameren Speicher 1. Register: extrem schnell, aber teuer meist <256 Byte, ca. 1ns 2. Cache-Speicher: enthält häufig benutzte Daten und Befehle, da meistens 90% der Zugriffe auf 10% der Daten arbeiten, ca. 10 ns evtl. mehrere Cache-Level L1: auf dem Chip: <64 KByte L2: meist extern: <1 MByte 3. Arbeitsspeicher (Haupt- bzw. Primärspeicher) RAM random access memory flüchtiger Speicher (wie auch 1. und 2.), d.h. nach Ausschalten der Stromversorgung Information geht verloren Größe ca. 1 GigaByte, ca. 100 ns 42

7 4. Hintergrundspeicher: Langzeitspeicher, ca. 10ms Magnetplattenspeicher: > 40 GByte Disketten (3,5 Zoll): 1,44 MB Compact Disk (CD): 700 MByte Digital Versatile Disk (DVD): 17 GByte 4.3 Busse ermöglichen die Kommunikation zwischen CPU, Arbeitsspeicher und Ein-/Ausgabe man unterscheidet zwischen Datenbus: überträgt Daten (z.b. vom Arbeitspeicher CPU) Adressbus: überträgt Adresse der angesprochenen Einheit (z.b. Bildschirm soll Daten empfangen) und evtl. interne Adresse (z.b. Adresse im Arbeitsspeicher) Steuerbus: überträgt Steuersignale wie z.b. Daten senden, Daten empfangen Datenbus + Adressbus + Steuerbus = Systembus Bidirektionaler Bus: Signale fließen in beide Richtungen Datenbus Unidirektionaler Bus: Signale fließen in eine Richtung Adressbus, Steuerbus 43

8 4.4 Ein-/Ausgabe Datenaustausch mit Peripheriegeräten entlastet CPU Eingabeeinheit puffert (langsam) ankommende Daten zwischen CPU kann in Zwischenzeit sinvolles tun Ausgabeeinheit nimmt auszugebende Daten auf und gibt diese in passenden Portionen und in passender Geschwindigkeit an Peripheriegerät aus Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit Kommunikation zwischen CPU und Ein-/Ausgabe systemunabhängig (CPU muss nicht wissen welcher Drucker angeschlossen ist, dafür ist die Ein-/Ausgabe verantwortlich) 44

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