Aufbau und Funktionsweise von Prozessoren

Schematischer Aufbau eines Computers Dem Prozessor werden Daten zugeführt, intern verarbeitet und anschließend die Ergebnisse wieder ausgegeben. Eingabewerk Daten Prozessor Ausgabewerk Daten

Schematischer Aufbau eines Computers Der Prozessor (=CPU) besteht im Kern aus zwei Einheiten: dem Leitwerk (auch Steuerwerk genannt) und dem Rechenwerk. Eingabewerk Daten Prozessor Leitwerk Rechenwerk Ausgabewerk Daten

Schematischer Aufbau eines Computers Das Leitwerk und das Rechenwerk tauschen prozessorinterne Steuersignale aus. Eingabewerk Daten Prozessor Leitwerk Rechenwerk Ausgabewerk Daten

Schematischer Aufbau eines Computers Die dafür benötigten Daten und Befehle werden aus dem Arbeitsspeicher geholt. Dorthin werden die Daten auch zurück geschrieben. Arbeitsspeicher 1 2 3 4 5 6 7 8 . - n-3 n-2 n-1 Adressen Daten, Befehle Eingabewerk Daten Prozessor Leitwerk Rechenwerk Daten Ausgabewerk

Schematischer Aufbau eines Computers Der Prozessor kann noch detaillierter betrachtet werden. Leitwerk Rechenwerk Prozessor

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Der Befehlszähler kennt die Adresse der Speicherstelle mit der nächsten abzuarbeitenden Anweisung. Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-zähler

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Das Steuerwerk ruft diesen Befehl im Arbeitsspeicher ab. Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-zähler

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Die Anweisung wird vom Arbeitsspeicher in das Befehlsregister des Leitwerkes geladen. Befehls-register Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-zähler

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Eine Dekodiereinheit entschlüsselt die Anweisung für das Leitwerk. Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-register Befehls-zähler Befehls-decodierer

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Nun weiß das Leitwerk welche Werte es aus welchem Speicher abrufen soll. Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-register Befehls-zähler Befehls-decodierer

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Das Leitwerk veranlasst die Verschiebung der Wert aus dem Arbeitsspeicher in einen internen Speicher des Rechenwerkes. Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Akkumulator Register für Operanden und Ergebnisse Werte vom Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-register Befehls-zähler Befehls-decodierer Operationen-steuerung

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Das Rechenwerk führt die Anweisung in der ALU (=Arithmetic and Logical Unit) durch und sichert die Ergebnisse wieder. Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Werte vom Arbeitsspeicher Werte vom oder zum Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-register Befehls-zähler Register für Operanden und Ergebnisse Akkumulator A L U Befehls-decodierer Operationen-steuerung

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Nach vollzogener Anweisung erhöht die Operationensteuerung den Befehlszähler auf die Adresse der nächsten Anweisung. Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Werte vom oder zum Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-register Befehls-zähler Register für Operanden und Ergebnisse Akkumulator Befehls-decodierer Operationen-steuerung A L U

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Ein internes Statusregister hält in einzelnen Bits (so genannten Flags) wichtige Zusatzinformationen zu Operationen fest. Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Daten vom oder zum Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-register Befehls-zähler Register für Operanden und Ergebnisse Akkumulator Befehls-decodierer Operationen-steuerung A L U Status-register

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk Um diesen Ablauf zu koordinieren beinhaltet das Leitwerk einen Taktgeber, nach dem sich alle anderen Einheiten richten müssen. Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Daten vom oder zum Arbeitsspeicher Prozessor Leitwerk Rechenwerk Befehls-register Befehls-zähler Register für Operanden und Ergebnisse Akkumulator Befehls-decodierer Operationen-steuerung Takt- geber A L U Status-register

Arbeitsweise der CPU (Zusammenfassung) Folgende Schritte erfolgen bei der Abarbeitung eines Befehles: Befehl aus Speicher holen Dekodieren des Befehls Adressberechnungen Operanden aus Speicher holen Operationsdurchführung Speicherung der Ergebnisse Bestimmung der Adresse des nächsten Befehls

Datenverarbeitung in der CPU Folgende Anweisung soll abgearbeitet werden: „Addiere zur Zahl, die in der Speicherzelle 4000 steht und 2 Byte lang ist, diejenige Zahl der Speicherzelle 4002, die auch 2 Byte lang ist. Speichere dann das Ergebnis in den Speicherzellen 4000 und 4001 ab.“ 4002 4000 2 2 ADD 2056 2055 2054 2053 2052 2051 2050 2049 2048 Programm 305 301 4008 4007 4006 4005 4004 4003 4001 Daten Arbeitsspeicher Rechenwerk BZ 2048 Leitwerk

Datenverarbeitung in der CPU Im Befehlszähler BZ steht die Adresse 2048. Dies ist die Speicherzelle, welche den nächsten Programmschritt enthält. 4002 4000 2 2 ADD 2056 2055 2054 2053 2052 2051 2050 2049 2048 Programm 305 301 4008 4007 4006 4005 4004 4003 4001 Daten Arbeitsspeicher Rechenwerk BZ 2048 Leitwerk

Datenverarbeitung in der CPU Das Leitwerk erkennt dass dieser Befehl sechs Byte lang ist und ruft ihn ab. 4002 4000 2 2 ADD 2056 2055 2054 2053 2052 2051 2050 2049 2048 Programm 305 301 4008 4007 4006 4005 4004 4003 4001 Daten Arbeitsspeicher Rechenwerk BZ 4000 ADD 2053 2052 2051 2050 2049 2048 2 2 4002 2048 Leitwerk

Datenverarbeitung in der CPU Eine umfangreiche Dekoderschaltung für den Befehl ADD entschlüsselt diesen für das Leitwerk, welches dann die erste Zahl aus den Speicherstellen 4000 und 4001 und die zweite Zahl aus den Speicherstellen 4002 und 4003 ausliest und in das Rechenwerk verschiebt. 4002 4000 2 2 ADD 2056 2055 2054 2053 2052 2051 2050 2049 2048 Programm 305 301 4008 4007 4006 4005 4004 4003 4001 Daten Arbeitsspeicher 305 Rechenwerk 301 BZ 4000 ADD 2053 2052 2051 2050 2049 2048 2 2 4002 2048 Leitwerk

Datenverarbeitung in der CPU Das Rechenwerk führt die Addition mit Hilfe von Volladdierern durch. 4002 4000 2 2 ADD 2056 2055 2054 2053 2052 2051 2050 2049 2048 Programm 305 301 4008 4007 4006 4005 4004 4003 4001 Daten Arbeitsspeicher Rechenwerk 301 606 = + 305 BZ 4000 ADD 2053 2052 2051 2050 2049 2048 2 2 4002 2048 Leitwerk

Datenverarbeitung in der CPU Das Leitwerk veranlasst, dass das Ergebnis der Addition in den Speicherzellen 4000 und 4001 abgelegt wird. Arbeitsspeicher Programm 2048 2049 2050 2051 2052 2053 2054 2055 2056 ADD 2 2 4000 4002 Daten 4000 4001 4002 4003 4004 4005 4006 4007 4008 606 301 305 Rechenwerk 301 606 = + 305 BZ 4000 ADD 2053 2052 2051 2050 2049 2048 2 2 4002 2048 Leitwerk

Datenverarbeitung in der CPU Der Befehl aus Zelle 2048 ist damit ausgeführt, der Befehlszähler wird um 6 (da der ausgeführte Befehl sechs Byte lang war) erhöht. Die nächste Anweisung aus Speicherstelle 2054 wird – sofern vorhanden – eingelesen und abgearbeitet. Arbeitsspeicher Programm 2048 2049 2050 2051 2052 2053 2054 2055 2056 ADD 2 2 4000 4002 Daten 4000 4001 4002 4003 4004 4005 4006 4007 4008 606 305 Rechenwerk 301 606 = + 305 BZ 4000 ADD 2053 2052 2051 2050 2049 2048 2 2 4002 2054 2048 Leitwerk

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