March 21, 2014 0

transcomp – Anleitung für einen PC ohne ICs

By in Computerarchitektur, Hardware, Projektmanagement, transcomp

Aufbau eines Computers

Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit der allgemeinen
Struktur des Computers. Es wird hierbei abstrahiert und in Modulen geplant über
deren genaue Funktionsweise ich mir zu einem späteren Zeitpunkt Gedanken machen
möchte.

Der modulare Aufbau des transcomp unterscheidet sich kaum
von aktuellen Rechnerarchitekuren und geht weitestgehend auf den
ungarisch-amerikanischen Wissenschaftler Von Neumann zurück, welcher das
folgende Modell bereits in den 1940 Jahren entwarf.

Das revolutionäre an Von Neumanns Konzept war, dass er in
seinen Entwürfen erstmals die Speicherung von Daten und die von Programmen
(Befehlen) egalisierte: Beide werden in und aus dem Arbeitsspeicher geladen.

Es folgt nun eine kurze Erläuterung der einzelnen Module,
die an späterer Stelle noch vertieft werden sollen.

  1. Das Register ist der Ort, wo temporär Daten
    zwischengespeichert werden, die für die Weiterverarbeitung gebraucht
    werden oder die durch eine Verarbeitung im Rechenwerk entstanden sind. Es
    besteht, wie auch der Arbeitsspeicher aus einzelnen Bausteinen, die in der
    Lage sind Informationen zu speichern. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist,
    dass im Register (ebenso im Arbeitsspeicher) die einzelnen
    Speicherbausteine getrennt von einander angesprochen werden können. Man
    spricht hierbei von einer beliebigen Adressierung (engl. Random Access).
  2. Im Arbeitsspeicher oder RAM (Random Accsess Memory) befinden
    sich Daten (Zahlen, Texte etc.), die zur Verarbeitung erst in ein oder
    mehrere Register geladen werden müssen. Der Unterschied zwischen Register
    und RAM lässt sich klassisch an zwei Eigenschaften festmachen, was sich
    übrigens auch für andere Speichermedien wie z.B. Festplatten oder
    Flash-Speicherkarten verallgemeinern lässt: Bei steigender Speicherkapazität
    sinkt die Zugriffsgeschwindigkeit.
  3. Im Rechenwerk oder auch ALU (Algorithmical Logic Unit)
    sind besonders wichtige Grundbefehle in unveränderlichen Schaltkreisen
    (Logikgatter) implementiert. Die ALU steht in engem Zusammenhang zum
    Befehlssatz des Prozessors, auf den ich später eingehen werde. Ein
    Beispiel an dieser Stelle: Der Befehl ADD r1, r2, r3 wird vom Steuerwerk
    zur Interpretation an die ALU weitergeleitet. Es wird in der ALU eine
    Addition der Register r2, r3 durchgeführt und an das Steuerwerk
    zurückgegeben. Das Steuerwerk speichert das Ergebnis anschließend im
    Register r1.
  4. Eine Aufgabe des Steuerwerkes wurde eben bereits
    angesprochen und betrifft die Lenkung der Daten- und Adressströme.
    Außerdem ist das Steuerwerk für die Generierung einer Taktung
    verantwortlich welche typischerweise in Hz, MHz, GHz ausgedrückt wird. Das
    Steuerwerk kommuniziert mit allen anderen Modulen und stellt somit eine
    zentrale Organisationseinheit dar.
  5. Das Ausgabemodul stellt ebenso, wie das Modul für Eingabe
    ein Schnittstelle zur „Außenwelt“ dar. Visuelle (z.B. Bildschirm, Drucker)
    und akustische Ausgabe stellen dabei die wichtigste Informationsquelle für
    den bedienenden Benutzer dar.
  6. Das Eingabemodul nimmt Eingaben in Form von z.B.
    Tastaturaktionen oder Mausbewegungen entgegen.Die Trennung von Ausgabe- und Eingabemodul macht eigentlich nur für die Betrachtung
    der Beziehung des Rechners zum Benutzer einen Sinn, für die internen
    Abläufe verschwimmen die Grenzen dieser beiden Module, was sich am
    Beispiel der Kommunikation mit anderen Rechnern (Netzwerk) demonstrieren
    lässt: Hier werden sowohl Daten empfangen, als auch versendet. Aus diesem
    Grund fasse ich das Eingabe- und Ausgabemodul zu einem allgemeinen Kommunikationsmodul
    zusammen.
  7. Was im Modell von Von Neumann leicht übersehen werden kann
    oder als kein eigenständiges Modul wahrgenommen wird, ist das BUS-System.
    Das BUS-System ist in der obigen Darstellung durch die Pfeile zwischen den
    restlichen Modulen dargestellt. Das Bussystem stellt aber nicht nur die physischen
    Leitungen (Leiterbahnen) zwischen den einzelnen Stellen sondern übernimmt
    auch die Organisation der Zugriffe. Auf unseren Alltag bezogen entspricht
    das BUS-System also sowohl den Bussen, die Personen (bzw. Informationen)
    transportieren, als auch den Verkehrspolizisten, die regeln, welche Busse
    zurzeit auf welcher Strasse fahren dürfen. Den organisatorischen Teil des
    Busses (entspricht denVerkehrspolizisten) möchte ich beim transcomp mit
    dem Steuerwerk verschmelzen, da er unmittelbar von der Taktung betroffen
    ist.

Wie Sie vielleicht bemerkt haben habe ich bereits ein paar
Anpassungen des Von Neumannschen Modells vorgenommen, welche mich zur
Konzipierung einer etwas abweichenden Darstellung veranlassen:

Im nächsten Kapitel geht es um die Frage, wie ein Computer Daten verarbeitet. Weiter lesen…

Inhaltsverzeichnis:

  • Einleitung
  • Aufbau eines Computers
  • Binaere Daten
  • Wie speichert ein Computer Daten
  • Speicheradressierung
  • Der Befehlssatz

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