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Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph.

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Präsentation zum Thema: "Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph."—  Präsentation transkript:

1 Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph Oberweis, BBSW Trier

2 2 CPU CPU: Central Processing Unit deutsch: Zentrale Prozessoreinheit oder kurz: Prozessor (Hardwarekomponente) Die CPU steuert über Software andere Bestandteile des PCs. Die grundlegende Eigenschaft des Prozessors ist seine Programmierbarkeit. Der Prozessor führt Befehle aus. Prozess, vergleichbare Begriffe: Ablauf, Vorgang C.O.

3 3 Alles im richtigen Takt! C.O. Ein Prozessortakt ist die Zeit für die Ausführung eines einfachen Befehls. Für die Division und andere komplizierter Befehle braucht der Prozessor mehrere Takte. Eine Taktfrequenz von einem Megahertz bedeutet, dass der Prozessor eine Million einfache Befehle pro Sekunde ausführen kann. Die Taktfrequenz gibt also die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors an. Taktgeber ist ein Schwingquarz auf der Hauptplatine.

4 4 Komponenten der CPU C.O. Vereinfachte Darstellung

5 5 Komponenten der CPU Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung C.O.

6 6 Komponenten der CPU Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) C.O.

7 7 Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) Rechenwerk: ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig C.O. Komponenten der CPU

8 8 … und noch der Arbeitsspeicher Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) Rechenwerk: ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig Arbeitsspeicher: hier stehen Daten und die Programme C.O.

9 9 Eingabe Verarbeitung Ausgabe Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) Rechenwerk: ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig Arbeitsspeicher: hier stehen Daten und die Programme C.O. E ingabe V erarbeitung A usgabe

10 10 C.O. Abarbeitung eines Befehls Vereinfachte Darstellung

11 11 1.Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. C.O. Befehlszyklus 1

12 12 1.Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2.Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. C.O. Befehlszyklus 1 2

13 13 1.Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2.Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 3.Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen. C.O. Befehlszyklus 1 2 3

14 14 1.Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2.Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 3.Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen. 4.Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher. C.O. Befehlszyklus

15 15 1.Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2.Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 3.Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen. 4.Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher. C.O. Befehlszyklus Hinweis: Aus Gründen der Vereinfachung wurde hier der Befehlszähler nicht berücksichtigt!

16 16 1.Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2.Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 3.Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen. 4.Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher. C.O. Ein Befehlszyklus benötigt i.d.R. also mehrere CPU-Takte, wobei jede Phase wiederum auch aus mehreren CPU-Takten bestehen kann. Befehlszyklus

17 17 Programmiert wird der Zyklus … C.O.

18 18 Programmiert wird der Zyklus … C.O. … mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt.

19 19 Programmiert wird der Zyklus … C.O. … mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt. Holphase, Dekodierphase Ausführungsphase (Addition) Schreibphase Aus

20 20 Programmiert wird der Zyklus … C.O. … mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt. Holphase, Dekodierphase Ausführungsphase (Addition) Schreibphase Aus wird der Additionsbefehl ADD

21 21 C.O. Addiert wird also mit ADD

22 22 C.O. … aber wo kommen die Daten her??? Addiert wird also mit ADD

23 23 C.O. Zur Erinnerung: Die Daten stehen in den Registern, damit das Rechenwerk sie auch nutzen kann : … aber wo kommen die Daten her???

24 24 C.O. AX BX CX DX Name der Register Daten Zur Erinnerung: Die Daten stehen in den Registern, damit das Rechenwerk sie auch nutzen kann : Register - kleine schnelle Speicher

25 25 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann.

26 26 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX

27 27 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX Zuerst das AX - Register: MOV AX, 0003

28 28 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX Befehl wurde ausgeführt! MOV AX,

29 29 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX Und jetzt das CX-Register: MOV CX,

30 30 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden! AX BX CX DX 4 3

31 31 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden! AX BX CX DX 4 3 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX

32 32 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. AX BX CX DX 4 3 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX Addiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers! Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden!

33 33 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. AX BX CX DX 4 3 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX Addiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers! E V & A Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden!

34 34 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! C.O. AX BX CX DX 4 7 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX Addiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers! E V & A Und nach der Programmausführung:

35 35 Und jetzt das ganze Programm C.O. 1.Schritt: In Register AX die Zahl 3 schreiben 2.Schritt: In Register CX die Zahl 4 schreiben 3.Schritt: Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern

36 36 Und jetzt das ganze Programm C.O. 1.Schritt: In Register AX die Zahl 3 schreiben 2.Schritt: In Register CX die Zahl 4 schreiben 3.Schritt: Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern MOV AX, 0003 MOV CX, 0004 ADD AX, CX

37 37 Jetzt wird getestet C.O.

38 38 Jetzt wird getestet C.O. Prima!

39 39 Der Haken: C.O. MOV AX, 0003 MOV CX, 0004 ADD AX, CX Das versteht der Computer nicht!

40 40 Die Lösung: C.O. MOV AX, 0003B80300 MOV CX, 0004B90400 ADD AX, CX01C8 Es gibt Programme, welche die Assemblerbefehle in die Maschinensprache übersetzen (z. B. unter DOS: debug).

41 41 Vom Quellprogramm zum Maschinenprogramm C.O. MOV AX, 0003B80300 MOV CX, 0004B90400 ADD AX, CX01C8 Es gibt Programme, welche die Assemblerbefehle in die Maschinensprache übersetzen (z. B. unter DOS: debug). Quellprogramm Maschinen- programm Übersetzung

42 42 C.O. So sieht es aus: C.O. Adressen Maschinenprg. Assemblerprg.

43 43 C.O. MOV AX, 0003B80300 MOV CX, 0004B90400 ADD AX, CX01C8 Es handelt sich hier um die Umwandlung eines Assemblerprogramms in ein Maschinenprogramm, welches die CPU direkt ausführen kann. Beachte: Sowohl die Zeichen der Assemblersprache als auch die Maschinenbefehle sind im Computer binär abgespeichert. Die HEX-Codierung (z. B.: B9) dient nur der besseren Lesbarkeit; MOV CX, 0004 ist in der binären Darstellung nicht identisch mit B90400, sonst wäre ja die Übersetzung nicht notwendig. Anmerkung

44 44 Darstellung der Logik: Struktogramm C.O. 1.Schritt: In Register AX die Zahl 3 schreiben 2.Schritt: In Register CX die Zahl 4 schreiben 3.Schritt: Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern In Register AX die Zahl 3 schreiben In Register CX die Zahl 4 schreiben Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern

45 45 Darstellung der Logik: Struktogramm, allgemeine Formulierung C.O. X := 3 Y := 4 Y := Y + X

46 46 Darstellung der Logik: Struktogramm, allgemeine Formulierung C.O. X := 3 Y := 4 Y := Y + X Beachte: Die Befehle/Anweisungen sind eindeutig und ausführbar, ihre Anzahl endlich und ihre Befolgung liefert nach endlich vielen Schritten die Lösung eines Problems.

47 47 Algorithmus C.O. Die Befehle/Anweisungen sind eindeutig und ausführbar, ihre Anzahl endlich und ihre Befolgung liefert nach endlich vielen Schritten die Lösung eines Problems. Trifft dies auf eine Anweisungsliste zu, spricht man von einem Algorithmus. Die Befehle/Anweisungen sind eindeutig und ausführbar, ihre Anzahl endlich und ihre Befolgung liefert nach endlich vielen Schritten die Lösung eines Problems. Trifft dies auf eine Anweisungsliste zu, spricht man von einem Algorithmus.

48 48 Ausblick: Höhere Programmiersprache C.O. a = InputBox("Wert für a:") b = InputBox("Wert für b:") c = a + b MsgBox ("Summe: " & c) EVAEVA Quellprogramm:


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