Grundlagen der Computerarchitektur: Prozessor, Speicher, Busse

Prozessorkontrolleinheit (PCU)

Die Prozessorkontrolleinheit (PCU) ist verantwortlich für die Durchführung und Überwachung der Vorgänge innerhalb des Computers zur Datenverarbeitung. Die Prozessorgeschwindigkeit wird in Mega- oder Giga-Hertz gemessen.

Aufbau des Prozessors

Der Prozessor besteht aus zwei Hauptteilen:

Steuerwerk

Das Steuerwerk ist das Nervenzentrum des PCs, da es alle Vorgänge kontrolliert. Zur Erfüllung seiner Funktion umfasst es folgende Elemente:

• Programmzählerregister

  Enthält die Speicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls.

• Befehlsregister

  Enthält den Befehl, der zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt wird.

• Decoder

  Verantwortlich für die Extraktion und Analyse des Operationscodes des aktuellen Befehls.

• Signalgenerator (Sequenzer)

  Dieses Gerät erzeugt einfache, mit dem Takt synchronisierte Befehle, die den Ablauf steuern.

Rechenwerk

Das Rechenwerk ist für die Durchführung grundlegender arithmetischer und logischer Operationen verantwortlich. Zur Erfüllung dieser Funktionen beinhaltet es:

• Registerbank

  Besteht aus allgemeinen Registern (8, 16, 32 Bit), die zur Zwischenspeicherung von Daten vor Operationen und für interne Prozessorvorgänge verwendet werden.

• Operatoren

  Bestehen aus einer oder mehreren elektronischen Schaltungen, die einfache arithmetische und logische Operationen ausführen.

• Ergebnisregister (Akkumulatoren)

  Dies ist ein spezielles Register, in dem die von den Operatoren erzeugten Ergebnisse abgelegt werden.

• Statusregister (Status-Flags)

  Ein Register mit einer Reihe von Flip-Flops, das bestimmte Bedingungen der zuletzt durchgeführten Operationen festhält.

Speicher

Speicher bezieht sich auf ein Gerät, das Informationen zur späteren Verwendung speichert.

Der Hauptspeicher ist für die Aufbewahrung der Daten und Anweisungen verantwortlich, die die CPU derzeit verarbeitet.

Externe Speicher sind für die Speicherung von Informationen verantwortlich, die in den Hauptspeicher übertragen werden, um vom Computer verwendet zu werden.

Speicheradressregister (MAR)

Enthält die Speicheradresse, an der Informationen gelesen oder gespeichert werden sollen, unabhängig davon, ob es sich um einen Lese- oder Schreibvorgang handelt.

Speicherdatenregister (MDR)

Ist dies ein Lesevorgang, empfängt das MDR die Daten vom Speicherort, der vom MAR angegeben wurde. Handelt es sich um einen Schreibvorgang, müssen die zu speichernden Informationen im MDR abgelegt werden, damit sie an den vom MAR angegebenen Speicherort übertragen werden können.

Speicherselektor

Der Speicherselektor ist ein Gerät, das einen Lese- oder Schreibbefehl ausgibt. Er verbindet die Speicherzelle, deren Adresse im MAR erscheint, mit dem MDR, um Daten in eine oder andere Richtung zu übertragen.

Arten von RAM

• DRAM (Dynamic RAM): Benötigt regelmäßige Auffrischung, um Daten nicht zu verlieren; hohe Kapazität.
• SRAM (Static RAM): Benötigt keine Auffrischung; geringe Kapazität, sehr schnell.
• SDRAM (Synchronous DRAM): Synchronisiert sich mit dem Takt der CPU.
• DDR (Double Data Rate): Ermöglicht dem Speicherchip, Daten sowohl bei der steigenden als auch bei der fallenden Taktflanke zu übertragen.
• DDR2 (Double Data Rate 2): Führt zwei Übergänge auf der steigenden und zwei Übergänge auf der fallenden Taktflanke des Takts aus.
• VRAM (Video RAM): Speicher, der von Grafikcontrollern verwendet wird, um alle visuellen Informationen zu verwalten, die das System an die CPU sendet.
• SGRAM (Synchronous Graphics RAM): Hohe Kapazität, hohe Geschwindigkeit und geringer Stromverbrauch.
• CDRAM (Cache DRAM): Speicher, der als Puffer zwischen Prozessor und Peripherie fungiert.

ROM (Read-Only Memory)

• ROM (Read-Only Memory): Nur-Lese-Speicher.
• PROM (Programmable ROM): Ein Speicher, der einmalig für ein spezielles Programm programmiert werden kann.
• EPROM (Erasable Programmable ROM): Ein löschbarer und programmierbarer Speicher.
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): Ein kleiner Speicher mit geringem Stromverbrauch zum Speichern von Datum, Uhrzeit und BIOS-Einstellungen.

Busse

Ein Bus ist eine Reihe von physikalischen Leitungen, die zur Übertragung von Daten zwischen den Komponenten eines EDV-Systems verwendet werden. Es gibt verschiedene Arten.

Klassifizierung nach Systematik

• Gemeinsamer Bus: Speicher und Peripheriegeräte nutzen denselben Bus zur Kommunikation mit dem Prozessor.
• Dedizierter Bus: Speicher- und Peripheriegeräte sind über separate Busse angebunden.

Klassifizierung nach Funktionalität

• Datenbus: Überträgt Daten zwischen CPU und Peripherie.
• Adressbus: Identifiziert das Gerät, für das die über den Datenbus übertragenen Daten bestimmt sind.
• Steuerbus: Organisiert und steuert den Informationsfluss auf den Bussen.

Der Bustyp eines Computers beeinflusst direkt dessen Geschwindigkeit. Ein Bus ist durch die Anzahl und Anordnung seiner Leitungen gekennzeichnet.