Computerarchitektur: Register, Busse, Speicher & Adressierung

CPU-Register

Register speichern Ergebnisse ausgeführter Operationen und dienen zur Zwischenspeicherung von Operanden. Sie haben eine Verbindung zum Datenbus zur Übertragung von Ergebnissen zum Hauptspeicher oder zur Steuereinheit.

• Programmzähler (PC - Program Counter): Speichert die Speicheradresse der nächsten auszuführenden Instruktion.
• Instruktionsregister (IR - Instruction Register): Enthält die zuletzt aus dem Speicher gelesene Instruktion, die gerade ausgeführt wird.

Bussysteme

Ein Bus ist ein Kanal oder eine Gruppe paralleler Verbindungen, der zwei oder mehr Computerkomponenten verbindet.

• Datenbus: Wird für die Übertragung von Daten genutzt.
• Adressbus: Wird verwendet, um die Speicheradresse zu senden, auf die zugegriffen werden soll.
• Steuerbus: Sendet Steuersignale zur Kontrolle des Zugriffs auf die Busse und zur Synchronisation der verschiedenen Geräte.

Hauptspeicher (RAM)

Der Hauptspeicher ist für die Speicherung von Informationen zuständig, sodass darauf zugegriffen werden kann. Er speichert üblicherweise Programme und Daten, die gerade ausgeführt oder verarbeitet werden.

• MAR (Memory Address Register): Enthält die Adresse der Speicherzelle, auf die lesend oder schreibend zugegriffen werden soll.
• MDR (Memory Data Register) / MBR (Memory Buffer Register): Enthält die Daten, die aus der adressierten Speicherzelle gelesen wurden oder in diese geschrieben werden sollen.

Adressierungsarten

Beschreiben, wie die Operanden einer Maschineninstruktion spezifiziert werden:

• Unmittelbar (Immediate): Der Operand ist der Wert selbst, der direkt in der Instruktion steht.
• Direkt (Direct): Das Operandenfeld enthält die Speicheradresse, an der sich die Daten befinden.
• Indirekt (Indirect): Die in der Instruktion angegebene Adresse zeigt nicht auf die Daten, sondern auf eine weitere Adresse (einen Pointer), an der die Daten gespeichert sind.
• Relativ (Relative): Die tatsächliche Adresse wird berechnet, indem ein Offset (Indexwert, Verschiebung) zu einer Basisadresse (z.B. Inhalt des Programmzählers oder eines Indexregisters) addiert wird.

Speicherzugriffsmodi

• Sequenziell (Sequential): Die Zugriffszeit auf einen Speicherort hängt von seiner physischen Position oder der zuletzt zugegriffenen Adresse ab (z.B. bei Magnetbändern).
• Wahlfrei / Direkt (Random / Direct Access): Die Zugriffszeit auf eine beliebige Speicherstelle ist (nahezu) konstant und unabhängig von der Position (z.B. bei RAM).

Cache-Speicher

Ein schneller und kleiner Pufferspeicher, der sich zwischen dem Hauptspeicher (RAM) und dem Prozessor befindet. Er speichert Kopien von häufig verwendeten Daten oder Instruktionen aus dem Hauptspeicher, um die durchschnittliche Zugriffszeit zu verkürzen.