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Eine CPU besteht im wesentlichen aus einem Steuerwerk und einer Rechen-einheit. Die Recheneinheit besteht aus der ALU (Arithmetic Logical Unit) und dem Registersatz und übernimmt die eigentliche Datenverarbeitungsfunktion innerhalb der CPU. Das Steuerwerk organisiert und kontrolliert die gesamte Arbeit sowohl der CPU als auch des Rechnersystems als Ganzes. Um alle Komponenten innerhalb der CPU und des kompletten Rechnersystems zu verbinden bzw. eine Kommunikation herzustellen gibt es das sogenannte Bussystem, welches aus mehreren Arten von "Bussen" besteht.
( Abb. 1.0 )
3.1 Das Steuerwerk
Es stellt ein durch einen externen Takt gesteuertes Schaltwerk dar, welches entsprechend den auszuführenden Befehlen konkrete Folgen elementarer Transport und Verarbeitungsaktionen auslöst. Die konkrete Funktion und der Ablauf eines Befehls sind konstant und reproduzierbar und werden bei der Herstellung des Prozessors fest vorgegeben.
Aufgaben des Steuerwerks:
- Steuerung prozessorinterner Abläufe d.h. die Organisation von Datentransporten innerhalb des Rechenwerks zwischen Registern, ALU und Datenbus sowie die Auslösung und Auswertung von Operationen der ALU
- Bereitstellung von Adressinformationen für Befehls- und Datentransporte über das Bussystem
- Steuerung externer Abläufe bei der Kommunikation des Prozessors mit dem Speicher bzw. den Ein-/Ausgabeeinheiten
Wesentliche Bestandteile des Steuerwerks sind der Program-Counter (PC), der die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls bereitstellen kann, und der Befehlsdecoder. Das Steuerwerk fordert zur Befehlsbearbeitung jeweils den nächsten Befehl an, decodiert diesen und löst eine passende Sequenz von Teilschritten zur Befehlsbearbeitung aus.
Die Befehlsbearbeitung ist ein unendlicher, vom Ein- bis zum Ausschalten des Rechners ständig wiederholter Zyklus. Er besteht aus folgenden Schritten.
Siehe Bild : 1.1
1. Einlesen des ersten Teils der Befehlsinformation:
a) Ausgabe des Inhaltes des Program-Counters (PC) auf dem Adressbus
b) Einlesen des Inhaltes der angesprochenen Speicherzelle in den Befehlsdecoder
c) Inkrementierung des PC um eine Adresseinheit
2. Decodieren der eingelesenen Informationen und Festlegung des weiteren Ablaufs
3. Einlesen der restlichen Bestandteile des Befehls
a) Ausgabe des PC auf den Adressbus
b) Einlesen des Inhaltes der Speicherzelle in den Befehlsdecoder
c) Inkrementieren des PC
d) Wiederhole ab a), bis Befehl komplett eingelesen
3. Ausführung des Befehls
a) Bereitstellung der Daten am Eingang der ALU
b) Ausführung der ALU - Operation
c) Ablage des Ergebnisses
Ablauf der Befehlsabarbeitung
( Abb 1.1 )
3.2 Das Rechenwerk
3.2.1 Die ALU (Arithmetic Logical Unit)
Sie kann meist nur einfache Elementaroperationen mit maximal zwei beteiligten Operanden ausführen. Komplexere Operationen sind aus einer Folge einfacher Aktionen zusammengesetzt.
Um die Rechenleistung einer CPU zu erhöhen ist man dazu über gegangen mathematischen Co-Prozessoren die Arbeit zu überlassen. Diese Co-Prozessoren werden vom Steuerwerk der "Haupt CPU" gesteuert.
Die Alu kann folgende Operationen ausführen :
- arithmetische Operationen (Addition, Subtraktion, Vergleich, ...)
- logische Verknüpfungen (AND, OR, XOR, ...)
- Verschiebungen um eine oder mehrere Bitstellen nach links bzw. rechts
3.2.2 Der Registersatz
Unter dem Registersatz versteht man CPU interne Speicherzellen, die im Gegensatz zu externen Speicherzellen sehr schnelle Zugriffszeiten haben.
Die Register dienen der direkten Datenablage, sie stellen Operanden für arithmetische und logische Operationen bereit und nehmen die Ergebnisse der Verarbeitung auf. Diese Register bezeichnet man als Universalregister.
(Anmerkung: Die Anzahl binärer Stellen (BITS) in jedem Universalregister entspricht der Verarbeitungsbreite der ALU und ist ein Maß dafür, welche Informationsmenge der Prozessor mit einem Befehl bearbeiten kann. Sie beträgt typisch 4, 8, 16 ,32 oder 64 bit. Breitere Register bedeuten i.d.R. eine höhere Leistungsfähigkeit und erlauben einen größeren Bereich darzustellender Informationen in einem Register.)
Neben den Universalregistern gibt es noch die Adresszeigeregister und die Spezialregister.
Die Adresszeigeregister stellen Informationen für Zugriffe auf Speicherzellen bereit. Durch die Bitbreite der Adresszeigeregister ist die maximale Anzahl möglicher Adresskombinationen und damit die Anzahl eindeutig ansprechbarer Speicherplätze bestimmt.
Die Spezialregister übernehmen besondere Aufgaben bei der Steuerung der Befehlsabarbeitung und der gesamten Arbeit des Prozessors. Die wichtigsten Spezialregister sind:
PC - der "Program Counter" oder Befehlszähler
Flags - die Flag Register speichern Sonderfälle bei Operationen der ALU
SP - der "Stackpointer" adressiert den Ort, an dem Rückkehr-
Informationen bei Prozeduraufrufen im Speicher abgelegt wurden
je nach Prozessortyp gibt es noch mehrere Spezialregister, die wir hier aber nicht alle aufführen wollen.
Intel 8080 Intel 8086
15 8 7 0 15 8 7 0
I
U I
U
I
S
In dieser Abbildung sind die Registersätze S
der Intel 8080 und 8086 Prozessoren ab-
gebildet.
U Universalregister
I Index-/ Adressregister
S Spezialregister
3.3 Das Bussystem
Das Bussystem verbindet die verschiedenen Einheiten eines Rechnersystems (Speicher, CPU, periphere Einheiten) miteinander und vermittelt den Datenaus-tausch zwischen ihnen. Alle Komponenten nutzen einen gemeinsam Transport-weg, den Bus, an den sie parallel angeschlossen sind. Die Koordination der Übertragung, d.h. die Auswahl von Sender und Empfänger und die zeitliche Synchronisation, wird über zusätzliche Steuersignale geregelt.
Entsprechend den zu übertragenden Informationen kann man eine funktionelle Trennung des Bussystems in Teilbusse vornehmen:
- Der Adressbus stellt die Ziel- bzw. Quelladresse des Datentransfers bereit
- Der Datenbus überträgt die eigentlichen Daten
- Der Steuerbus übernimmt die Koordination des Datentransfers hinsichtlich zeitlichem Ablauf und Auswahl der Übertragungsrichtung
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