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1. Zahlensysteme und Codierung
1.1 Zahlensyteme
Die Stelle an der eine Ziffer steht bestimmt ihre Wertigkeit: Stellenwertigkeit.
(siehe auch WMS)
1.2 Datentypen
1 Bit
4 Bit
8 Bit
16 Bit
32 Bit

 1 Halbbyte
 1 Byte
 1 Wort
 1 Doppelwort
Datentyp Boolean
Datentyp entspricht einem Hex Wert (Tetrade, Nippel)
Datentyp
Datentyp Integer
Datentyp Long Integer
1.3 Codetabellen
Unter MS-Dos wurde der ASCII Code verwendet. 7 Bit. Später mit der Dos Erweiterung. 8Bit.
Später, ab Windows 3.x nahm man den ANSI Code. 8 Bit. Seit die IT Welle auch die
asiatischen Länder erreicht hat gibt es den UNI Code. 16 Bit. Nun ist man auch in der Lage,
sämtlich Schriftzeichen, darzustellen. Betrachtet man die Darstellung von Zeichen mit einem
Hex-Editor so sieht man für ANSI Zeichen:
3F 00 | 4A 00 | .. 00 | ..
d.h. ein Hex Wert belegt (nach 1.2) 4 Bit, somit belegen zwei Hex Wert 8 Bit. Hier z.B. 3F.
Der UNI Code ist aber 16 Bit lang, also werden die verbleibenden 8 Bit mit Nullen aufgefüllt.
Im Bereich der Großrechner kommt der sogenannt BCDI (Binary Coded Decimal Interchange
Code) und später auch der EBCDI (Extended B...). Hierbei wird jedes Zeichen als Byte
dargestellt, wobei die linke Tetrade Zonenteil, die rechte Tetrade Ziffernteil genannt wird. Bei
der Darstellung von Zahlen kann der Zonenteil weggelassen werden.
z.B. –567

0101/0110/0111/1101
5
6
7
-
gepackt
entpackt: 1111/0101//1111/0110//1101/0111
5
6
7
2. Zentraleinheiten
Eine Zentraleinheit (central unit) beinhaltet Zentralspeicher, Zentralprozessor,
Verbindungseinrichtungen (Busse), Ein-/Ausgabe-Steuerung, Stromversorgung und sonstige
für den Berieb notwendige Zusatzeinrichtungen.
In der Zentraleinheit werden gesteuert von Systemprogrammen, die von den
Anwendungsprogrammen vorgeschriebenen Elementarfunktionen von dem Prozessor
verrichtet. Ein Prozessor umfasst Leit- und Rechenwerk. Das Rechenwerk führt logische und
arithmetische Operationen durch. Das Leitwerk sorgt für die zeitliche und funktional
aufeinander abgestimmte Zuführung von Befehlen und Daten aus den Speichern in das
Rechenwerk. Dabei werden die Befehle und Daten dem Arbeitsspeicher entnommen, und die
Ergebnisse werden dorthin für die Ausgabe zurückgeschrieben.
2.1 Architektur
Arbeitsspeicher
Peripherie
E/A-Steuerung
Kanäle
Zentralprozessor
Stromversorgung
Kühlung
Serviceprozessor
Konsolprozessor
grobe Struktur der Zentraleinheit
2.2 Zentralspeicher
Zentralspeicher sind in der CU befindliche Speicher, zu denen der bzw. die zentralen
Prozessoren und ggf. E/A-Steuerung unmittelbar Zugang haben.
Man unterscheidet:
- Arbeitsspeicher
- Pufferspeicher
- Registerspeicher
- Mikroprogrammspeicher
Sie unterscheiden sich vor allem in ihrer Leistungsfähigkeit.
Arbeitsspeicher
Cache
Zentralprozessor
E/A-Steuerung
Regi
ster
Mikropro
gramm
speicher
Zentralspeicher
Regi
ster
Mikropro
gramm
speicher
2.2.1 Arbeitsspeicher
Im Arbeitsspeicher werden die laufenden Programme und die von diesen benötigten Daten
gehalten. Aus ihm entnimmt der Zentralprozessor beim Programmablauf schrittweise die
Befehle und die in den Befehlen adressierten Daten, führt die verlangten Operationen aus
und gigt deren Ergebnisse an den Arbeitsspeicher zurück.
Der Arbeitsspeicher ist direkt adressierbar. Jeder Stelle die ein Byte aufnehmen kann, hat
eine eigene Adresse. Die Speicherstellen sind von Null an aufsteigend durchnumeriert.
Durch die Architektur der 32 Bit Prozessoren könne maximal 4Gbyte adressiert werden.
Der Arbeitsspeicher, auch RAM genannt, besteht aus flüchtigen Speicherchips. Die
Zugriffszeit liegt bei ca. 100 ns.
Heutzutage werden überwiegend DRAMs verwendet, da sie billiger zu produzieren sind,
jedoch haben sie etliche Nachteile:
- sie bestehen aus Kondensatoren die einen ständigen Refresh benötigen
- sie verlieren Information wenn sie gelesen werden, d.h. die Information muss sofort
wieder neu geschrieben werden
- es wird dadurch nicht nur die Speicherzelle gesperrt sondern der ganze Block
Bei den SRAMs haben wir diese Probleme nicht, jedoch sind sie finanziell nicht tragbar und
für eine Ausreichende Göße bräuchte man einen eigenen „Kühlschrank“.
2.2.2 Pufferspeicher (CACHE)
Ein CACHE ist ein Speicher, der Daten vorübergehend aufnimmt, die von einer
Funktionseinheit zu einer anderen übertragen werden.
Ein solcher CACHE soll vor allem die Geschwindigkeitsunterschiede ausgleichen, z.B.
zwischen Arbeitsspeicher und Prozessor, aber auch bei Festplatten und Arbeitsspeicher.
Der zwischen Arbeitsspeicher und Prozessor befindliche CACHE hat eine sehr kurze
Zugriffszeit (ca. 10ns) und eine begrenzte Kapazität von wenigen tausend Bytes.
Im CACHE werden während der Programmverarbeitung die jeweils aktuellen Befehle und
Daten rechtzeitig bereitgestellt.
Register
Abnehmende
Zugriffszeit
Zunehmende Kapazität
L1-Cache
L2-Cache
Arbeitsspeicher
Erweiterungsspeicher
Magnetplattenspeicher
...
Abnehmende Kosten
pro Bit
Vorraussetzung für diese Geschwindigkeitssteigerung ist eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass
ein Zugriff vom Cache selbst befriedigt werden kann. Heutzutage schafft man eine
Trefferquote von über 98%!
Der Verkehr zwischen Arbeitsspeicher, Cache und Prozessor wird vom Betriebssystem
organisiert.
2.2.3 Registerspeicher
Register sind Bestandteile von Prozessoren. Prozessorregister dienen zur kurzeitigen
Speicherung von Angaben, die während der Verarbeitung sofort wieder greifbar sein
müssen. Sie haben in der Regel eine beschränkte Kapazität von wenigen Bytes und können
über einen Namen (Operationscode bestimmter Maschinenbefehle) angesprochen werden.
Es gibt:
- Einzweckregister
- Mehrzweckregister (Adressen, Operanden)
Die Funktionen sind sehr unterschiedlich:
- Schieberegister (bei Division und Subtraktion hilfreich)
- Zählregister (Steuern von Befehlsfolgen)
Die Zugriffszeiten können bei 2-3 ns liegen.
2.2.4 Mikroprogrammspeicher
Die Befehle sind in einem Rechner entweder fest verdrahtet (z.B. bei RISC) oder sie werden
aus Mikroinstruktionen erzeugt, die im Mikroprogrammspeicher zur Verfügung stehen. Die
Zugriffszeit liegt unter 10ns.
Fast alle CISC Rechner sind mikroprogrammgesteuert.
Fast immer nichtflüchtiger Speicher, wenn flüchtig, dann werden die Mikroprogramme beim
Initialisieren von einem externen Speicher geladen. Sie können vom Hersteller verändert und
erweitert werden  hohe Flexibilität hinsichtlich der Anlagenausnutzung.
Bekannt Erweiterungen:
Bei Intel: MMX, SSE, SSEII
Bei AMD: 3Dnow, 3Dnow2, und nun auch SSEII (Lizenzerwerb)
2.3 Zentralprozessor
Der Zentralprozessor (CPU) ist eine Funktionseinheit der Zentraleinheit, die Leitwerk und
Rechenwerk umfasst.
Das Leitwerk steuert die Reihenfolge, in der Befehle eines Programms ausgeführt werden,
es entschlüsselt diese Befehle, modifiziert diese ggf. und gibt die für die Ausführung
erforderlichen digitalen Signale ab.
Das Rechenwerk führt logische und arithmetische Operationen durch.
2.3.1 Leitwerk
Das Leitwerk nimmt Koordinationsfunktionen für den gesamten Rechner wahr. Es steuert
den Ablauf des Befehls- und Datenflusses und bestimmt mit seinem Taktgeber die
Programmablaufgeschwindigkeit. Es besteht aus logischen Schaltungen und Registern.
Register im Leitwerk:
- Befehlszähler
- Befehlsregister
- Statusregister