Aufbau und Funktionsweise

von Prozessoren

Prozessor

Eingabewerk

Daten

Ausgabewerk

Daten

Dem Prozessor werden Daten zugeführt, intern verarbeitet und anschließend die Ergebnisse wieder

ausgegeben.

Schematischer Aufbau eines Computers

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Der Prozessor (=CPU) besteht im Kern aus zwei Einheiten: dem Leitwerk (auch Steuerwerk genannt)

und dem Rechenwerk.

Eingabewerk

Daten

Ausgabewerk

Daten

Schematischer Aufbau eines Computers

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Das Leitwerk und das Rechenwerk tauschen prozessorinterne Steuersignale aus.

Eingabewerk

Daten

Ausgabewerk

Daten

Schematischer Aufbau eines Computers

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Eingabewerk

Ausgabewerk

Daten

Daten

Arbeitsspeicher1

23

4

56

78

.

.

.

-

n-3

n-2

n-1

.

.

.

-

Adressen

Daten, Befehle

Die dafür benötigten Daten und Befehle werden aus dem Arbeitsspeicher geholt. Dorthin werden die

Daten auch zurück geschrieben.

Schematischer Aufbau eines Computers

Der Prozessor kann noch detaillierter betrachtet werden.

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Schematischer Aufbau eines Computers

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Der Befehlszähler kennt die Adresse der Speicherstelle mit der nächsten abzuarbeitenden

Anweisung.

Befehls-zähler

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Das Steuerwerk ruft diesen Befehl im Arbeitsspeicher ab.

Befehls-zähler

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Die Anweisung wird vom Arbeitsspeicher in das Befehlsregister des Leitwerkes geladen.

Befehls-zähler

Befehls-register

Befehle vom Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Eine Dekodiereinheit entschlüsselt die Anweisung für das Leitwerk.

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls-decodierer

Befehle vom Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Nun weiß das Leitwerk welche Werte es aus welchem Speicher abrufen soll.

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls-decodierer

Befehle vom Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Das Leitwerk veranlasst die Verschiebung der Wert aus dem Arbeitsspeicher in einen internen Speicher

des Rechenwerkes.

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls-decodierer

Operationen-steuerung

Befehle vom Arbeitsspeicher

Akkumulator

Register für Operanden und Ergebnisse

Werte vom Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Das Rechenwerk führt die Anweisung in der ALU (=Arithmetic and Logical Unit) durch und sichert die

Ergebnisse wieder.

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls-decodierer

Operationen-steuerung

Befehle vom Arbeitsspeicher

Akkumulator

Register für Operanden und Ergebnisse

A L U

Werte vom oder zum Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Werte vom Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Nach vollzogener Anweisung erhöht die Operationensteuerung den Befehlszähler auf die

Adresse der nächsten Anweisung.

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls-decodierer

Operationen-steuerung

Befehle vom Arbeitsspeicher

Akkumulator

Register für Operanden und Ergebnisse

A L U

Werte vom oder zum Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Ein internes Statusregister hält in einzelnen Bits (so genannten Flags) wichtige Zusatzinformationen zu

Operationen fest.

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls-decodierer

Operationen-steuerung

Status-register

Befehle vom Arbeitsspeicher

Akkumulator

Register für Operanden und Ergebnisse

A L U

Daten vom oder zum Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

Leitwerk Rechenwerk

Prozessor

Um diesen Ablauf zu koordinieren beinhaltet das Leitwerk einen Taktgeber, nach dem sich alle anderen

Einheiten richten müssen.

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls-decodierer

Operationen-steuerung

Takt-geber

Status-register

Befehle vom Arbeitsspeicher

Akkumulator

Register für Operanden und Ergebnisse

A L U

Daten vom oder zum Arbeitsspeicher

Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher

Zusammenspiel von Leit- und Rechenwerk

1.Befehl aus Speicher holen

2.Dekodieren des Befehls

3.Adressberechnungen

4.Operanden aus Speicher holen

5.Operationsdurchführung

6.Speicherung der Ergebnisse

7.Bestimmung der Adresse des nächsten Befehls

Folgende Schritte erfolgen bei der Abarbeitung eines Befehles:

Arbeitsweise der CPU (Zusammenfassung)

Folgende Anweisung soll abgearbeitet werden:

„Addiere zur Zahl, die in der Speicherzelle 4000 steht und 2 Byte lang ist, diejenige Zahl der Speicherzelle 4002, die auch 2 Byte lang ist.Speichere dann das Ergebnis in den Speicherzellen 4000 und 4001 ab.“

400240002 2ADD

205620552054205320522051205020492048

Programm

305301

400840074006400540044003400240014000

Daten

Arbeitsspeicher

Leitwerk

2048

BZ

Rechenwerk

Datenverarbeitung in der CPU

Im Befehlszähler BZ steht die Adresse 2048.

Dies ist die Speicherzelle, welche den nächsten Programmschritt enthält.

400240002 2ADD

205620552054205320522051205020492048

Programm

305301

400840074006400540044003400240014000

Daten

Arbeitsspeicher

Leitwerk

2048

BZ

Rechenwerk

Datenverarbeitung in der CPU

400240002 2ADD

205620552054205320522051205020492048

Programm

305301

400840074006400540044003400240014000

Daten

Arbeitsspeicher

Leitwerk

20484000ADD

205320522051205020492048

2 2 4002

BZ

Rechenwerk

Das Leitwerk erkennt dass dieser Befehl sechs Byte lang ist und ruft ihn ab.

Datenverarbeitung in der CPU

400240002 2ADD

205620552054205320522051205020492048

Programm

305301

400840074006400540044003400240014000

Daten

Arbeitsspeicher

Leitwerk

20484000ADD

205320522051205020492048

2 2 4002

BZ

Rechenwerk

Eine umfangreiche Dekoderschaltung für den Befehl ADD entschlüsselt diesen für das Leitwerk, welches dann die erste Zahl aus den Speicherstellen 4000 und 4001 und die zweite Zahl aus den Speicherstellen 4002 und 4003 ausliest und in das Rechenwerk verschiebt.

301 305

Datenverarbeitung in der CPU

400240002 2ADD

205620552054205320522051205020492048

Programm

305301

400840074006400540044003400240014000

Daten

Arbeitsspeicher

Leitwerk

20484000ADD

205320522051205020492048

2 2 4002

BZ

Rechenwerk

Das Rechenwerk führt die Addition mit Hilfe von Volladdierern durch.

301 305 606=+

Datenverarbeitung in der CPU

400240002 2ADD

205620552054205320522051205020492048

Programm

305301

400840074006400540044003400240014000

Daten

Arbeitsspeicher

Leitwerk

20484000ADD

205320522051205020492048

2 2 4002

BZ

Rechenwerk

Das Leitwerk veranlasst, dass das Ergebnis der Addition in den Speicherzellen 4000 und 4001 abgelegt wird.

301 305 606=+

606

Datenverarbeitung in der CPU

400240002 2ADD

205620552054205320522051205020492048

Programm

305606

400840074006400540044003400240014000

Daten

Arbeitsspeicher

Leitwerk

20484000ADD

205320522051205020492048

2 2 4002

BZ

Rechenwerk

Der Befehl aus Zelle 2048 ist damit ausgeführt, der Befehlszähler wird um 6 (da der ausgeführte Befehl sechs Byte lang war) erhöht.

Die nächste Anweisung aus Speicherstelle 2054 wird – sofern vorhanden – eingelesen und abgearbeitet.

301 305 606=+

2054

Datenverarbeitung in der CPU

--- ENDE ---