Neumannrechner

Register Register sind Bestandteile von Prozessoren oder andere elektronischer Baueinheiten. Prozessorregister dienen zur kurzzeitigen Speicherung von Angaben, die während der Verarbeitung sofort wieder greifbar sein müssen. Sie haben in der Regel eine beschränkte Kapazität von wenigen Bytes und können über einen Namen angesprochen werden.

Leitwerk Das Leitwerk nimmt Koordinationsfunktionen für den gesamten Rechner wahr. Es steuert den Ablauf des Befehls- und Datenflusses und bestimmt mit seinem Taktgeber die Programmablaufsge-schwindigkeit. Es besteht aus logischen Schaltungen und Registern.

Register des Leitwerkes Befehlszähler Befehlsregister Statusregister Befehlszähler (Programmzähler Program Counter) Enthält jeweils die Adresse des nächsten zur Ausführung anstehenden Befehls.

Arbeitsweise Zu Beginn der Programmverarbeitung wird der Befehlszähler mit der Startadresse geladen. Das Leitwerk holt von dieser Adresse den Verarbeitungsbefehl. Ist die Befehlsinterpretation abgeschlossen wird der Befehlszähler um die Länge des gerade übernommenen Befehls erhöht., das heißt um die entsprechende Zahl von Arbeitsspeicheradressen weitergezählt. Es ergibt sich dadurch (normalerweise) die Adresse des Folgebefehls. Dieser kann aus dem Arbeitsspeicher geholt werden und weiterverarbeitet werden. Werden im Programm Schleifen ausgeführt kommt es zu einer Modifizierung des Befehlszählers. In diesem Fall wird der Befehl nicht mit dem nächstfolgenden Befehl geladen sondern mit der Zieladresse des Sprungbefehls.

Der Befehl dessen Adresse der Inhalt des Befehlszählers (Program counter) ist wird in das Befehlsregister geladen. Es enthält also den Befehl der im Moment verarbeitet wird. Eine zugeordneter Befehlsdecodierer (Decoder) entschlüsselt die im Operationsteil angegebene Bitkombination und setzt diese in Steuersignale um.

Die erzeugten Signale und errechneten Operandenadressen werden je nach Befehlstyp an die zuständigen Instanzen weitergeleitet (ALU, Leitwerk, Arbeitsspeicher, E/A Einheit). Der Status, in dem sich das Programm befindet wird im Statusregister angegeben Bei Mehrprogrammbetrieb bedient der Prozessor in gewissen Zeitabschnitten mehrere Programme, so dass bei der Unterbrechung eines ablaufenden Programms vermerkt werden muss, wo nach der Wiederaufnahme fortgefahren werden soll.

Zu diesem Zweck wird der erreichte Befehlszählerstand im Statusregister sichergestellt. Das Leitwerk liest und interpretiert Befehl für Befehl. Die abgegebenen Steuersignale dienen zu Steuerung der verschiedenen Register und Addierwerke und der peripheren Geräte. Die Befehlsausführung findet überwiegend im Rechenwerk statt. Zur Erhöhung des Durchsatzes erfolgt bei modernen Rechnern die Befehlsverarbeitung überlappend in mehreren Pipelines (Fließbandbetrieb mit mehreren Bearbeitungsstufen). Parallel arbeitende Pipelines erhöhen den Datendurchsatz weiter.

Entscheidend für die Leistung einer Pipeline sind neben ihrer Parallelität und der Anzahl der Stufen - die Abhängigkeit der Befehle untereinander sowie das Auftreten von Sprungbefehlen. Das zügige Abarbeiten eines Programms wird gestört wenn eine nachfolgender Befehl noch in der Bearbeitung des momentanen Befehls steckt oder wenn - bedingt durch einen Sprungbefehl eine neues Programmsegment geladen und ausgeführt werden soll.

Rechenwerk Das Rechenwerk verknüpft die vom Leitwerk bezeichneten Daten. Hier werden arithmetische und logische Operationen durchgeführt. Das Rechenwerk arbeitet Entweder mit reinen dualen Zahlen oder Ziffernweise dual codierten Dezimalzahlen. Aus technisch bedingten Vereinfachungsgründen werden in der Regel Rechenoperrationen in elementare Additionen aufgelöst werden.

Rechenwerk (Arbeitsweise) Ein Rechenwerk ist im wesentlichen aus Registern und binären Schaltnetzwerken aufgebaut. Aus Registern werden die Operanden einer Operation geholt beziehungsweise die Ergebnisse einer Operation geschrieben. Ein solches Register, in dem vor der Operationsausführung ein Operand steht und in dem nach der Operationsausführung das Ergebnis zwischengespeichert wird bezeichnet man als Akkumulator. Binäre Schaltnetzwerke realisieren arithmetische und logische Operationen und werden deshalb als arithmetische - logische Einheit bezeichnet (arithmetic logical unit =ALU). Sie dienen hauptsächlich zur Addition der einzelnen BinärsteIlen (Addierschaltungen). Multiplikationen werden durch fortgesetzte Additionen realisiert, für Subtraktionen und Divisionen müssen Komplemente gebildet werden, was wiederum zusätzliche Logik notwendig macht.