Grundlagen der Computerarchitektur und Speicher

Grundlagen der Computerarchitektur

Firmware: Software für spezifische Anweisungen, die in nichtflüchtigem Speicher (ROM, Flash, etc.) aufgezeichnet ist. Sie steuert die Low-Level-Logik eines physischen Geräts.

Assembler: Eine Low-Level-Sprache, die eine direkte Darstellung von Maschinencode bietet. Sie wird vor allem verwendet, wenn die Hardware direkt manipuliert werden soll.

Kernel: Der grundlegende Bestandteil des Betriebssystems. Er bietet Software-Programmen sicheren Zugriff auf die Hardware und verwaltet Systemressourcen (CPU, Speicher, etc.).

Betriebssystem (OS): Verantwortlich für das effiziente Management von Ressourcen (CPU, Festplatte, Speicher) und bietet Transparenz bei der Computernutzung sowie eine Benutzeroberfläche.

Prozessor: Verantwortlich für die Ausführung der Anweisungen, die das Betriebssystem und die Programme vorgeben.

Prozessorkomponenten

• ALU (Arithmetic Logic Unit): Schaltkreise für logische und mathematische Operationen (Addition, Subtraktion, Boolesche Algebra wie OR, NOT, XOR).
• Registerbank: Ein kleiner Datenspeicherbereich innerhalb des Prozessors für schnellen, gleichzeitigen Zugriff. Dient zum Speichern von Zwischenergebnissen, geladenen Daten oder Anweisungen.
• Datenbus: Überträgt Daten zwischen CPU und Speicher oder E/A-Geräten.
• Adressbus: Gibt die Speicher- oder Registeradresse für E/A-Operationen an.
• Steuerbus: Überträgt Steuersignale (Takt, Lesen/Schreiben, etc.).
• Steuereinheit: Die wichtigste Funktion ist die Steuerung der Befehlsabfolge. Sie interpretiert Anweisungen mittels Registern wie dem Instruction Register (IR).

Speicherverwaltung

Memory Address: Gibt an, auf welche Position im Arbeitsspeicher zugegriffen werden soll.

Address Register (RD): Enthält die Adresse der Zelle, auf die lesend oder schreibend zugegriffen wird.

Exchange Register (RI): Dient als Zwischenspeicher bei Lese-/Schreiboperationen.

Memory Selector: Ändert die Adresse des RD in eine effektive Speicheradresse.

Speicherhierarchie und Cache

Memory Cache: Heute im Prozessor integriert, um häufig benötigte Anweisungen und Daten für sofortigen Zugriff bereitzuhalten.

• L1-Cache: Im Prozessorkern integriert, extrem schnell, meist 64KB bis 256KB.
• L2-Cache: Ebenfalls im Prozessor, etwas langsamer als L1, aber größer (bis zu 2MB).
• L3-Cache: Langsamer als L2, dient als zusätzliche Ebene.

Hierarchie: CPU, Cache, Hauptspeicher und virtueller Speicher. Die Hierarchie basiert auf dem Kosten-Geschwindigkeits-Verhältnis (SRAM ist schnell/teuer, DRAM ist langsamer/günstiger).

Zugriffsarten

• Lokalitätsprinzip: Daten, auf die in der Nähe einer Adresse zugegriffen wurde, werden wahrscheinlich bald wieder benötigt.
• Eingliederung: Stellt sicher, dass Adressen in der Hierarchie konsistent vorhanden sind.
• Sequentieller Zugriff: Zugriff erfolgt nacheinander (z. B. Magnetband).
• Direkter Zugriff: Zugriff auf Blöcke mit eindeutiger Adresse (z. B. Festplatten).
• Random Access: Jede Zelle hat eine eindeutige Adresse und ist in gleicher Zeit erreichbar (z. B. RAM).
• Assoziativer Zugriff: Zugriff erfolgt über den Inhalt statt über die Adresse (z. B. Cache).