Technische Informatik

• Rechenwerk

  • führt alle Rechenoperationen aus

• Arbeitsspeicher

  • Aufbewahrung Programme und Daten

  • Rechenwerk holt sich Operanden ab und schreibt zurück

• Steuerwerk

  • steuert Bestandteile

  • holt sich Programm Befehl für Befehl aus Arbeitsspeicher und führt diese mit Rechenwerk aus

• Eingabegeräte

  • holen Daten ab (Tastatur, Maus,…)

• Ausgabegeräte

  • stellen Daten dar (Bildschirm, Lautsprecher,…)

Rechen- und Steuerwerk hängen eng zusammen

• nennt sie Prozessor

Damit vereinfachte Sicht: (Sind mit BUS verbunden)

• Prozessor

• Arbeitsspeicher

• Periphre Geräte

• Datentransport durch binäre elektrische Spannungen

  • 0V für binäre 0

  • 5V für binäre 1

• rechteckiger idealisierter Spannungsverlauf

• aus physiklaischen Gründen nicht möglich

• Umschalttakt

• Abfragetakt

• Takt

  • Wechsel, die Flanke

    • positiv

    • negativ

• alle Vorgänge synchron

  • Abstraktion der kontinuierlichen Zeit zu diskreten Zeitpunktfolgen

• übliche Taktfrequenz 2000MHz und mehr

  • bei Großrechnern weniger

• Addition dauert einen Takt

• Lichtgeschwindigkeit: 300000 km/s oder 1 Fuß/Nanosekunde

  • bei 3 Ghz: 10 cm Wellenlänge

  • Externe Busse: wesentlich langsamere Takte

• Transistoren

• um nahezu rechteckige Spannungsverläufe zu erzeugen

• kein Speicherverhalten

  • Ändert sich der Eingang, ändert sich der Ausgang

• Grundlage: Boolsche Algebra

• Verknüpfungen von zwei oder mehr Signalen

  • Kombination von vielen einzelnen zu komplexen Funktion

Logische Verknüpfungen - Übersicht

Symbole

Halbaddierer

Volladdierer

• Nullfunktion

• Konjunktion

• Inhibition 2

• Identität 2

• Antivalenz

• Disjunktion

• Peirce

• Äquivalenz

• Negation 2

• Implikation 2

• Sheffer

• Eins

Zwei EInträge liefern Summe und Carry

Zwei Eingänge und ein Carry liefern Summe und Carry

• optimierte Variante existiert

• Speicherverhalten benötigt

• Ausgangssignal abhängig vom Eingangssignal und Zustand

• Eingangssignal ändert Zustand, dieser wird beibehalten bis durch erneutes Eingangssignal geändert

  • Lichthupe, Fernlicht/Abendlicht

• Ausgang wird Eingang des anderen Gatters

• wichtige Anwendungsbereiche

  • Speicher (Register)

  • Verzögerungsglieder

  • Taktgeber

• bisher RS FlipFlop

  • R=S=1 nicht erlaubt

    • 1en auf R und S wirken sich jerderzeit aus

• synchrones RS-FlipFlop

  • Takteingang T, nur bei positiver Taktflanke wirken sich R und S aus

• synchrones JK-FlipFlop

  • zusätzliche Sicherung: J=K=1 bedeutet Zustand invertieren

• synchrones D-FlipFlop

Benötigte Schaltungen

• Register

  • Speicher für n Bits (meist Wort)

• Halbaddierer

  • Addition einstelliger Dualzahlen

• Volladdierer

  • Addition n-stelliger Dualzahlen

• Akkumulator

  • sammelt die Ergebnisse fortlaufender Additionen

Englisch: ALU: Arithmetic Logic Unit

Speicherwerk

• Millionen von Bytes linear adressiert

• n Leitungen zur Adressangabe

• eine Steuerleitung (lesen/ schreiben)

• Selektionsleitung (Lese-/SChreibzeitpuntk)

• m Leitungen als Ausgabe

• Lesen ist nichtzerstörendes Lesen

• Schreiben überschreibt alten Werte

• Speicher ist flüchtig

• steuert Abläufe im Rechen- und Speicherwerk

• welche Operation wird ausgeführt, welche Speicheradresse gelesen, welche geschrieben?

• Befehle

  • LOAD <adr>

  • ADD <adr>

  • IFZERO <adr>

  • STORE <adr>

  • STOP

  • …

• mit diesen Befehlen können weitaus kompliziertere Struktuen, wie Fallunterscheidungen und Schleifen gebaut werden

• zur Ausführung eines Programms benötigt

  • Befehlsregister, speichert gerade ausgeführten Befehl zwischen

  • Befehlszähler, enthält Adresse des nächsten Befehls

• normalerweise wird Befehlszähler einfach erhöht - um Länge des aktuellen Befehls

• bei Sprüngen wird direkt auf Sprungziel gesetzt

Befehlszyklus:

• Anfangszustand: Der Befehlszähler enthält Adresse des ersten Befehls.

• Schritt 1: Bringe den Befehl, dessen Adresse im Befehlszähler steht, aus dem Speicher in das Befehlsregister und erhöhe zugleich den Inhalt des Befehlszählers um die Länge des Befehls.

• Schritt 2: Führe den im Befehlsregister stehenden Befehl aus und gehe anschließend wieder nach Schritt 1 zurück.

• Transportbefehle

  • Wort aus Speicher in Akku oder umgekehrt

    • LOAD, STORE

• Arithmetische Befehle

  • Operand aus Speicher holen und mit Akku Operationen ausführen

    • ADD, MULT

• unbedingter Sprungbefehl

  • lädt Befehlsadressteil in Befehlszähler

    • JUMP

• bedingter Sprungbefehl

  • nächster Befehl oder lädt Befehlsadressteil in Befehlszähler abhängig von einem Test

    • IFZERO

• Program als Folge von Befehlen im Speicher

• Programmablauf ist Zyklus:

  • Befehle holen

  • Befehl ausführen

  • Befehl holen

  • …

• Befehlsausführung typischerweise Datentransport zwischen Speicehr- und Rechenwerk und/oder Operation im Rechenwerk

• Rechenwerk + Steuerwerk = CPU

• Speicher

  • speichert Daten

  • und Befehle (Programme)

• I/O: Ein- und Ausgabe

• Harvard- Architektur

  • Daten und Befehle in verschiedenen Speichern

    • Signalprozessoren (DSP)

• eigentliche Ein-/Ausgabegeräte: Tastatur, Maus, Bildschirm, Drucker, Plotter, ...

• externe Speicher: Disketten, Magnetplatten, optische Platten, magneto-optische Platten, Bänder, ...

• Verbindungen zu anderen Rechnern oder technischen Apparaturen

• nicht flüchtig - “Langzeitgedächtnis“

• Kapazität wesentlich größer als Hauptspeicher

• Blockweise Übertragung (z.B. 2048 Byte)

• Zugriffszeit erheblich langsamer als Hauptspeicher

Verbindung zwischen CPU und Speicher sowie CPU und Peripheriegeräten

• In der Regel wird ein Programm nicht bis zum Ende ausgeführt, sondern häufig unterbrochen

• Unbedingt notwendig für die Kommunikation mit der Peripherie

• Ein externes Signal kann die normale Arbeit der Zentraleinheit unterbrechen,

  • um z.B. Daten eines externen Gerätes in den Hauptspeicher zu schreiben

• Komplexere Peripherie hat heute meist eigenen Prozessor, der die Zentraleinheit unterbrechen kann und umgekehrt.

• insgesamt sehr schwierig

  • was tun bei fast gleichzeitigen Unterbrechungssignalen?

  • was tun bei Unterbrechungssignal während Unterbrechungsabarbeitung

  • wo werden für möglich Serie von Unterbrechungen die temporären Daten zwischengespeichert

Englisch: Interrupt, IRQ - Interupt Request

• z.B Fehler bei Division durch 0

• moderne Mikroprozessoren haben komplizierte Hardware- Unterstützung für Behandlung Programmunterbechung verschiedener Dringlichkeit

1. Elektronik: elektronische Schaltkreise, die binäre elektrische Signale erzeugen, verknüpfen und speichern

2. Schaltungslogik: Schaltnetze und Schaltwerke zur Verknüpfung und SPeicherung von Daten

3. Rechnerarchitektur: Addierer und Register werden zu Prozessoren, diese mit Bussen und E/A- EInheiten zu Rechnerarchitektur zusammengefasst

4. Programmierung: Aus Sicht des Programmierers ein Gerät, das Daten speichert und Befehle ausführt

Abstraktion und Schichtung sind zentrale Konzepte der Informatik

• 3-Schichten- Software- Architekturen

• 7- Schichten ISO/OSI Referenzmodell