Einführung

Informationsverarbeitung

Die Digitaltechnik ist die Grundlage der Elektronischen Datenverarbeitung (EDV). Die Applikationen der EDV sind vielfältig:

• Numerik
• Steuerung von Maschinen
• Reaktive Systeme mit Benutzerinteraktion
• Digitale Signalverarbeitung
• Programmgesteuerte Automaten → Generische Mikroprozessoren!
• Kommunikation

Die Informationsverarbeitung erfordert eine Mensch-Maschine Schnittstelle, d.h. die Kodierung von Informationen zu Daten, die eigentliche Datenverarbeitung, und die anschließende Rückgewinnung der Informationen aus Daten, wie in Abb. 1 gezeigt ist.

Informationsverarbeitung

Logik

Die Repräsentation und Kodierung von Informationen erfolgt durch Bitfolgen im Binärzahlensystem. Ein Bit enthält die Informationsmenge bestehend aus zwei Elementen:

{wahr,falsch}, {hell,dunkel}, {x0,x1} usw.

• Die Kodierung dieser Informationsmenge und technische Umsetzung erfolgt durch Übergang von logischen auf technologische Größen wie Spannungen oder Ströme:

{1,0} → {H,L} → {3.3V,0V}

Logik

• Ausgangspunkt und Motivation für anwendungs- und problemorientierte Digitallogik liegt in generischer Rechnerarchitektur und herkömmlichen programmbasierten Problemlösungen begründet.

Generisches Datenverarbeitungssystem ⇔ Programmsteuerung

• Generische EDV und Programmsteuerung bedeuten Einschränkung bei Optimierungsmöglichkeiten → Die Maschine ist universell!

• Dazu soll das Schichtenmodell einer konventionellen Datenverarbeitungsanlage näher betrachtet werden.

Generische EDV

ISA Ebenen

Abstraktion ISA: Instruction Set Architecture

Die Instruktionsebene eines Mikroprozessors kann mit zwei unterschiedlichen Architekturen implementiert werden:

1. Direkt mit digitaler Logik realisiert;

   • RISC Prozessoren

2. Mikroarchitektur: Transformation von komplexen Maschinenbefehlen in eine Untermenge einfacher Maschinenbefehle (sequenzielle Komposition) → Microcode

   • CISC Prozessoren
   • Vorteil: Microcode kann aktualisiert werden (Fehlerbeseitigung!)

ISA Ebenen

Man unterscheidet:

RISC

Reduced Instruction Set Computer Architektur

Kleine Instruktionsmenge besteht aus einfachen Operationen meist mit konstanter Instruktionslänge. Können auf ISA Mikroarchitektur verzichten (z.B. SUN Sparc, Motorola/IBM PowerPC, ARM)

CISC

Complex Instruction Set Computer Architektur

Große Instruktionsmenge mit komplexen Operationen und meist variabler Instruktionslänge → ISA Mikroarchitektur bei vielen CISC-Prozessoren (z.B. Intel X86/X64 Pentium usw.);

ISA Ebenen

• Die Betriebssystemebene ermöglicht die Abstraktion der Rechnerarchitektur, die ISA-Ebene ermöglicht die Abstraktion von der Digitallogikebene.

• Ein klassisches Mikroprozessorsystem arbeitet ein Maschinenprogramm ( → Ablaufvorschrift) sequenziell ab → Limitierung!

• Die einzelnen Instruktionen eines Maschinenprogramms werden in unterschiedlichen Werken im Mikroprozessor verarbeitet.

• Zum näheren Verständnis der Programmsteuerung muss der Aufbau und die Architektur einer generischen von-Neumann-Anlage näher betrachtet werden.

Von-Neumann Rechner: Architektur

Von-Neumann Rechner: Architektur

Die Rechnerarchitektur ist unterteilt in

• das Rechenwerk,
• das Leitwerk und ein
• Satz allgemeiner Register (temporäre Datenspeicher).

Das Leitwerk enthält folgende spezielle Register:

BZ: Befehlzähler

Zeigt auf Speicheradresse des nächsten auszuführenden Maschinenbefehls.

BR: Befehlsregister

Enthält Kodierung des aktuell ausgeführten Befehls.

SR: Statusregister

Enthält Informationen über aktuelle oder bereits ausgeführte Operationen, wie Zero-oder Carry-Bits, und beeinflusst die Programmausführung (z.B. bedingte Verzweigung).

Von-Neumann Rechner: Architektur

• Das Rechenwerk, das Leitwerk und der Registersatz sind über einen Daten- und Adressbus mit einem (einzigen) Hauptspeicher verbunden, dessen Speicherzellen über die Adresse ausgewählt werden.

• Der Hauptspeicher enthält:

  • Programmbefehle (Code)
  • Programmdaten (Daten → {Eingabe, Ausgabe, Zwischenergebnisse}) → Limitierung

• Ein Bussystem ist eine Gruppe von elektrischen Signalleitungen zur Datenübertragung, und verbindet mehrere Kommunikationsteilnehmer. Bei einem Datenaustausch auf einem Bus ist immer ein Teilnehmer schreibend und ein anderer lesend aktiv. → Limitierung

Von-Neumann Rechner: Programmierung

• Hello World Programm in Hochsprache C:

  main() { printf("hello, world\n"); }

• Maschinenprogramm Assembler für den ZX81 (ca. 1981, Zilog Z80)

          CALL SPRINT
          DEFM HELLO WORLD.
          DEFB FF
          RET
  SPRINT    POP HL
          LD A,(HL)
          INC HL
          PUSH HL
          CP FF
          RET Z
          CALL PRINT
          JR SPRINT

Speicherhierarchie