Computerarchitektur: Hardware, Software & Speichersysteme

Hardware, Software & Firmware: Grundlagen

Die Hardware umfasst die physischen Komponenten eines Computers. Die Software hingegen besteht aus immateriellen Programm-Anweisungen, die die Hardware zu bestimmten Funktionen veranlassen. Diese Anweisungen sind korrekt sortiert und gruppiert, um eine reibungslose Ausführung zu gewährleisten.

Die Systemsoftware, wie Betriebssysteme (OS), ermöglicht es Programmen und Daten, die Hardware zu nutzen und Prozesse zu steuern. Firmware ist eine spezielle Art von Software, die fest in Hardware-Komponenten integriert ist und deren grundlegende Funktionen steuert.

Software-Kategorien

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen:

• Systemsoftware: Programme und Daten, die für den Betrieb des Computers selbst notwendig sind (z.B. Betriebssysteme).
• Anwendungssoftware: Programme, die spezifische Aufgaben für den Benutzer ausführen (z.B. Textverarbeitung, Webbrowser).

Die Zentraleinheit (CPU)

Die Zentraleinheit (CPU), auch Prozessor genannt, ist das Gehirn des Computers. Sie besteht hauptsächlich aus zwei Kernkomponenten:

• Der Arithmetisch-Logischen Einheit (ALU)
• Der Steuereinheit (CU)

Hauptkomponenten eines Computers

Ein typisches Computersystem setzt sich aus folgenden Hauptkomponenten zusammen:

• Zentraleinheit (CPU)
• Hauptspeicher (RAM)
• Controller und Ein-/Ausgabeeinheiten
• Bussysteme
• Peripheriegeräte

Die Steuereinheit (CU)

Die Steuereinheit (CU) ist für den gesamten Betrieb der Geräte verantwortlich, aus denen sich der Computer zusammensetzt. Ihre Hauptaufgaben sind:

• Informationen empfangen, interpretieren und verarbeiten.
• Befehle an andere Komponenten senden.

Die CU enthält verschiedene Register, darunter:

• Befehlsregister: Speichert den aktuell auszuführenden Befehl.
• Programmzähler (PC): Enthält die Speicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls.
• Befehlsdecoder: Interpretiert den Befehl für die weitere Verarbeitung.
• Sequenzer: Erzeugt die Mikrobefehle zur Steuerung des Prozessors.
• Taktgeber (Clock): Liefert elektrische Impulse mit konstanter Frequenz, die den Takt für alle Operationen vorgeben.

Die Arithmetisch-Logische Einheit (ALU)

Die Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) ist für die Ausführung aller arithmetischen (z.B. Addition, Subtraktion) und logischen Operationen (z.B. Vergleiche) auf Daten zuständig. Sie verfügt über mehrere Register:

• Operandenregister: Speichert die Operanden einer Operation.
• Akkumulator: Speichert Zwischen- und Endergebnisse von Operationen.
• Statusregister: Enthält Flags, die Bedingungen früherer Operationen widerspiegeln (z.B. Überlauf, Nullergebnis).

Speichersysteme

Externer Speicher

Externer Speicher dient der langfristigen Speicherung von Daten und ist nicht-flüchtig. Beispiele hierfür sind:

• Festplatten (HDDs, SSDs)
• Disketten (historisch)
• DAT-Bänder
• USB-Sticks (Flash-Laufwerke)

Interner Speicher

Interner Speicher ist direkt für die CPU zugänglich und wird für die kurzfristige Speicherung von Daten und Programmen während des Betriebs verwendet.

• RAM (Random Access Memory): Dies ist der Arbeitsspeicher. Er kann Informationen speichern und ändern. RAM ist flüchtig, d.h., die Daten gehen beim Ausschalten des Computers verloren.
• ROM (Read Only Memory): Dieser Speicher ist nur lesbar und kann Informationen nicht ändern. Er dient im Wesentlichen zum Starten des PCs (Bootvorgang).

RAM: Adressierung und Funktionsweise

RAM-Module verfügen über eine komplexe Struktur zur Adressierung und zum Datenaustausch:

• Adressregister: Enthält die Adresse der Speicherzelle oder des Speicherorts, auf den zugegriffen werden soll.
• Datenregister (oder Austauschregister): Empfängt die Daten bei Leseoperationen und speichert die Daten bei Schreiboperationen.
• Speicherselektor: Wird aktiviert, um die spezifische Zelle oder Position auszuwählen, auf die zugegriffen werden soll (Lesen oder Schreiben).
• Steuersignale: Geben an, ob eine Lese- oder Schreiboperation durchgeführt werden soll.

RAM-Technologien und Speichereinheiten

Im RAM werden Informationen binär gespeichert, wobei jede dieser Informationseinheiten als Bit bezeichnet wird. Ein Byte besteht typischerweise aus 8 Bits und repräsentiert oft ein Zeichen.

Programme und Daten, die von der CPU verarbeitet werden, befinden sich physisch im RAM. Für die Zwischenspeicherung von Daten zwischen CPU und RAM werden Cache-Speicher verwendet, die deutlich schneller sind als der Haupt-RAM.

Es gibt verschiedene RAM-Technologien:

• DRAM (Dynamic RAM): Verwendet Kondensatoren zur Speicherung von Bits. Da Kondensatoren ihre Ladung verlieren, müssen sie regelmäßig aufgefrischt werden (Memory Refresh), was DRAM langsamer, aber kostengünstiger als SRAM macht.
• SRAM (Static RAM): Verwendet Flip-Flops zur Speicherung von Bits. SRAM benötigt keine Auffrischung und ist daher schneller als DRAM, aber auch teurer in der Herstellung. Aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit wird SRAM oft als Cache-Speicher eingesetzt.
• SDRAM (Synchronous DRAM): Eine Weiterentwicklung von DRAM, die synchron zum Systemtakt arbeitet und dadurch höhere Geschwindigkeiten erreicht.
• DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM): Eine weitere Verbesserung von SDRAM, die Daten zweimal pro Taktzyklus überträgt, wodurch die Bandbreite effektiv verdoppelt wird.

ROM-Varianten und Spezialspeicher

ROM enthält oft die grundlegende Software, die als BIOS (Basic Input/Output System) bekannt ist und für den Start des Computers unerlässlich ist.

Verschiedene ROM-Typen umfassen:

• PROM (Programmable ROM): Kann einmalig nach der Herstellung programmiert werden.
• EPROM (Erasable Programmable ROM): Kann durch UV-Licht gelöscht und neu programmiert werden, was Konfigurationsänderungen ermöglicht.
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): Ein flüchtiger Speicher, der sehr wenig Strom verbraucht und oft BIOS-Einstellungen sowie die Systemzeit speichert (benötigt eine kleine Batterie).

Weitere Spezialspeicher sind:

• VRAM (Video RAM): Spezieller Speicher für Grafikkarten, heute oft als GDDR SDRAM (Graphics Double Data Rate SDRAM) implementiert.
• CD-ROM: Ein optisches Speichermedium, das auch als Ein-/Ausgabegerät fungiert.

Speicheradressierung: Historische Bereiche

In älteren PC-Architekturen gab es spezifische Speicherbereiche:

• Konventioneller Speicher: Von 0 KB bis 640 KB.
• Oberer Speicherbereich (Upper Memory Area - UMA): Von 641 KB bis 1024 KB.
• Erweiterter Speicher (Extended Memory): Von 1025 KB bis zur maximalen Grenze des Motherboards.

Adressierungsmodi

Adressierungsmodi bestimmen, wie die Operanden eines Befehls im Speicher gefunden werden. Gängige Modi sind:

• Unmittelbare Adressierung: Der Operand oder die Daten sind direkt im Befehl enthalten.
• Direkte Adressierung: Das Operandenfeld des Befehls enthält die direkte Speicheradresse des Operanden.
• Indirekte Adressierung: Das Operandenfeld enthält eine Speicheradresse, die wiederum die effektive Adresse der Daten enthält.
• Relative/Indizierte Adressierung: Die effektive Adresse der Daten wird durch Addition eines festen Betrags (Offset) zu einer im Befehl selbst enthaltenen Adresse oder zu einem Wert in einem speziellen Register (z.B. Indexregister, Basisregister) ermittelt.

Bussysteme und Datenübertragung

Ein Bus ist ein System zur Datenübertragung zwischen verschiedenen Komponenten eines Computers, wie der CPU, dem Speicher und den Peripheriegeräten. Er kann als eine Reihe von Leitungen betrachtet werden, über die Informationen in Form von elektrischen Signalen übertragen werden.

Bussysteme ermöglichen auch die Gleichsetzung von Ein-/Ausgabeoperationen (E/A) mit Speicher-Lese-/Schreiboperationen, insbesondere wenn DMA (Direct Memory Access) verwendet wird. DMA erlaubt es Peripheriegeräten, direkt auf den Speicher zuzugreifen, ohne die CPU zu belasten, was die Datenübertragung erheblich beschleunigt.

Die Datenübertragung zwischen CPU und Peripheriegeräte erfolgt über verschiedene Busse:

• Adressbus: Identifiziert die Adresse der Einrichtung (Speicherzelle oder Peripheriegerät), die angesprochen werden soll.
• Datenbus: Überträgt die eigentlichen Daten.
• Steuerbus: Organisiert und leitet die entsprechenden Steuersignale weiter, um die Datenübertragung zu koordinieren (z.B. Lese-/Schreibbefehle).