Ein Rechner ist eine Hierarchie von Ebenen
RISC
RISC steht für Reduced Instruction Set Computer
Heute: über 99% Marktanteil
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CISC
CISC steht für Complex Instruction Set Computer
Bekanntester Vertreter: x86
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Virtueller Rechner
Virtueller Rechner
Jede Ebene (mit Ausnahme der untersten) ist ein „virtueller Rechner“ zu der eine Sprache gehört.
Programme der Sprache werden
- in Programme der Sprache (j < i) übersetzt oder
- in die Sprache (j < i) interpretiert.
Die virtuelle Maschine ,gaukelt dem Benutzer vor“, seine in geschriebenen Programme würden direkt auf Hardware ausgeführt.
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Übersetzung versus Interpretation
Performanzmaße eines Rechners
Hardware, Software und Firmware
Hardware vs. Software
- Früher Software, heute Hardware:
- ganzzahlige Multiplikation, Division
- Gleitkommaarithmetik
- Aber auch: RISC-Konzept (Reduced Instruction Set)
- Teile wieder mit Software ausgefuhrt
- Beispiel: ganzzahlige Division in RISC-Prozessoren
Festlegung des Befehlssatzes eines Rechners entscheidet, welche Teilaufgaben durch Hardware und welche durch Software gelöst werden können.
Beispiel: Realisiert man die Division als Hardware oder als Software? Beantwortung hängt an
- Kosten
- Performanz
- Nutzung
Exkurs: Hardware / Software Co-Design
- Anwendung insbesondere bei „eingebetteten Systemen“, die nicht frei programmierbar sein müssen
- Welche Komponenten in Hardware realisiert bzw. in Software/Firmware implementiert werden, entscheidet der „Systemarchitekt“ oder wird (halb-)automatisch anhand von Laufzeitanalysen der Software entschieden.
- Auslagern rechenzeitintensiver Teile in Hardware!
John von Neumann
Das von-Neumann Prinzip
Voll-elektrischer Rechner
Binäre Darstellung der Daten
Benutzung einer arithmetischen Einheit
Benutzung eines Steuerwerkes
Interner Daten- und Programmspeicher
Prinzipieller Aufbau eines Rechners
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Prinzipieller Aufbau eines Rechners
Prozessor (CPU)
Hauptspeicher
Externe Speicher
Eingabegerate (Tastatur, Maus)
Ausgabegerate (Bildschirm, Drucker, Plotter)
Busse
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Arbeitsspeicher
- erlaubt Abspeicherung
- Von Programmen
- „normalen Daten“
- besteht aus 𝑛 Speicherzellen
Wortbreite
- k - Bit ()
Speicherzelle
- eine Wortbreite
- Adresse
- kleinste adressierbare Einheit des Speichers
Kerngrößen
- Anzahl der Speicherzellen ()
- Wortbreite des Speichers ()
- Zugriffszeit
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Arbeitsspeicher
- erlaubt Abspeicherung
- Von Programmen
- „normalen Daten“
- besteht aus 𝑛 Speicherzellen
Wortbreite
- k - Bit ()
Speicherzelle
- eine Wortbreite
- Adresse
- kleinste adressierbare Einheit des Speichers
Kerngrößen
- Anzahl der Speicherzellen ()
- Wortbreite des Speichers ()
- Zugriffszeit
Bits und Bytes
Bit
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- 0 oder 1
- Kleinste Informationsmenge, die in einem System mit zwei Werten gespeichert werden kann
- Belegung des Bits wird durch angelegte Spannung definiert
Byte
1 Byte = 8 Bit
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Prozessor
besteht aus
- Steuerwerk
- läd nächsten Befehl
- anasyiert Wort
- führt Befehl aus
- Recheneinheit
ALU
führt Rechenoperationen im Processor aus.
Link to original- Registerbank
- Speicherelemente, sogenannte Register, auf die das Rechenwerk und das Steuerwerk ohne Wartezyklus schnell zugreifen können.
Prinzipielle Arbeitsweise eines Prozessors
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Resgister
- 32 Bit
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- Beschränkte Anzahl von Registern: Unzureichend, um die Variablen realistischer Programme aufzunehmen
Prinzipielle Arbeitsweise eines Prozessors
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- Fetch: Hole den nächsten Maschinensprachebefehl aus dem Arbeitsspeicher und speichere ihn im Befehlsregister IR ab. Die benötigte Adresse steht im Befehlszähler PC.
- Decode: Analysiere den Befehl und lade die benötigten Daten.
- Execute: Führe den Befehl aus und speichere das Ergebnis ab.
Busse
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Leitungen im digitalen Rechner
Daten fließen zwischen:
Normierte Stecker
Standardisierte Interpretation der einzelnen Leitungen