Grundlagen der Computerarchitektur: Hardware und Software

Grundlagen der Computerarchitektur

Ein Computer besteht aus Hardware, die eine Vielzahl von Komponenten umfasst, um Aufgaben auszuführen. Damit diese Komponenten funktionieren, wird Software benötigt. Programme helfen uns dabei, Informationen zu verarbeiten. Eine Reihe von Anordnungen und Anweisungen bildet ein Programm, und eine Ansammlung von Programmen wird als Softwareanwendung bezeichnet. Um den Betrieb aufrechtzuerhalten, ist ein Betriebssystem erforderlich, das die Interaktion zwischen Software und physischen Komponenten steuert.

Software-Kategorien

• Betriebssystem: Verwaltet die Hardware und Systemressourcen.
• Anwendungssoftware: Dient der gezielten Verarbeitung von Daten.

Physische Komponenten (Hardware)

1. CPU (Zentraleinheit): Besteht aus ALU und UC.
2. RAM (Arbeitsspeicher)
3. Steuereinheiten
4. Input/Output-Schnittstellen
5. Bus-Systeme
6. Peripheriegeräte

Die CPU: Herzstück des Computers

Die CPU verwaltet und kontrolliert alle Vorgänge im Computer. Sie ist für die Überwachung und Ausführung von Befehlen verantwortlich. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Informationen zu empfangen, zu interpretieren und zu verarbeiten. Dabei greift sie auf den RAM zu, um Programmanweisungen auszuführen.

Komponenten der CPU

• Befehlsregister: Speichert die aktuell ausgeführte Anweisung.
• Programmzähler: Enthält die Speicheradresse der nächsten Anweisung.
• Controller und Decoder: Verantwortlich für die Interpretation der Befehle.
• Sequenzer: Erzeugt die für den Mikrocomputer notwendigen Steuersignale.
• Taktgeber: Liefert elektrische Impulse mit konstanter Frequenz.
• ALU (Arithmetisch-Logische Einheit): Führt arithmetische und logische Operationen aus.

Speicher und Bus-Systeme

Man unterscheidet zwischen RAM- und ROM-Speicher. Arten von RAM sind unter anderem DRAM, SRAM, SDRAM und DDRAM. Der Bus ist das Element, das die Interaktion zwischen den verschiedenen Komponenten ermöglicht.

Bus-Typen

• Datenbus
• Adressbus
• Steuerbus

Ein dedizierter DMA-Bus (Direct Memory Access) ermöglicht es Speicher und Peripheriegeräten, direkt zu kommunizieren, ohne die CPU zu belasten.

Binäre Datenverarbeitung

Binärzahlen bestehen aus 0 und 1. Bei der Darstellung negativer Zahlen wird das Vorzeichenbit (0 für positiv, 1 für negativ) genutzt. Weitere Konzepte umfassen das Zweierkomplement (C2), die Binärsumme sowie BCD-Codierungen (Binary Coded Decimal), bei denen Zahlen in 4-Bit-Gruppen unterteilt werden.