Home Fachinformatiker Computer
Einführung in die EDV
Aufbau eines Computers
Einführung
- Was braucht der Mensch um eine vorgegebene Aufgabe zu erfüllen?
- Gehirn zur Steuerung von Arbeitsanweisungen (Reihenfolge)
- Ausgabeneinheiten (Hand, Mund)
- Eingabeeinheiten (Auge, Ohren)
- Internen Speicher (Gehirn, Gedächtnis)
- Externen Speicher (Papier)
- Recheneinheit (Gehirn)
Elementare Hardware
- Menschen brauchen also
- Interne Speicher
- die Arbeitsanweisungen, die eingelesene Worte und Operationsergebnisse enthalten
- eine Steuerung, die in der Lage ist, die Reihenfolge der Anweisungen und ihre jeweilige Bedeutung zu verstehen
- externe Speichermedien, die die Eingabedaten und die Ausgabedaten enthalten
- Eingabeeinheiten, die von externen Speichern Daten lesen, in die intern verständliche Darstellung und in den internen Speicher übertragen können.
- Ausgabeeinheiten, die intern vorhandene Daten in eine extern verständliche Darstellung umwandeln und zu externen Speichern übertragen können.
- Rechenwerk, das logische und arithmetische Operationen durchführen kann
- Was braucht der Computer?
- Internen Speicher für die Arbeitsanweisungen und Daten
- Ein Rechenwerk, das die 4 Grundoperationen +, - * und / durchführen kann
- Ein Steuerwerk, das die Reihenfolge der Befehle "weiß" und dafür sorgt, das die richtigen Daten dem jeweiligen Befehl zugeordnet werden
- Die Daten, mit denen gearbeitet wird, müssen dem Computer von Menschen mitgeteilt werden über die Eingabeeinheit
- Die Daten, die der Computer erzeugt hat, müssen dem Menschen mitgeteilt werden über eine Ausgabeneinheit
- Übertragungswege zwischen den einzelnen Bestandteilen
- Die Daten, die dem Computer von außen eingegeben werden, und die Daten, die ein Computer nach außen abgibt, müssen in einer Form dargestellt sein, dass der Computer sie "versteht". Die Arbeitsanweisungen müssen in einer Sprache formuliert sein, die der Computer "versteht".
Computer = Rechner (Addieren)
- Hardware: "Alles, was man anfassen kann" = Materielle Bestandteile eines Computersystems
- Software: Programme, die auf dem Computer laufen
- Von - Neumann - Maschine: Programme und Daten sind im Hauptspeicher
Zentraleinheit: Central Processing Unit
- Prozessor
- Rechenwerk
- Steuerwerk, Leitwerk
- Internen Speicher, Hauptspeicher
- Übertragungswege
- Kanäle: direkte Verbindung
- Busse: Kanal, der von allen angeschlossenen Einheiten gemeinsam benutzt wird
- Peripheriegeräte
- Ein- und Ausgabegeräte
- Externe Speicher
Funktionsweisen elementarer Hardwarekomponenten
Hauptspeicher:
Er wird auch als Zentralspeicher oder interner Speicher bezeichnet, ein Teil auch als Arbeitsspeicher.
Er enthält die Anweisungen und die benötigten Daten.
Er ist aufgeteilt in einzelne, gleich große Speicherstellen, die von 0 beginnend durchnummeriert sind.
Diese Nummer ist die Adresse.
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 6 | |||||
| 12 | |||||
| 18 | |||||
| 24 | |||||
| 30 | |||||
| 36 |
Eine Speicherstelle ist ein Byte groß bzw. kann ein Byte aufnehmen.
Die Größe des Hauptspeichers ist begrenzt und durch die Anzahl der Speicherstellen festgelegt.
In diesem Speicher wird die Information in Form von kleinen Schaltern dargestellt, die durch Stromzufuhr ein bzw. ausgeschaltet werden.
Grundsätzlich gilt, dass ein Computer Strom benötigt und er nur unterscheiden kann zwischen "Strom" und "kein Strom".
Damit kann man also 2 Informationen darstellen bzw. 2 Zeichen, nämlich "ein" oder "aus" bzw. 1 oder 0.
Um mehr Zeichen darstellen zu können, werden mehrere Schalter zu einer Einheit zusammengefasst.
| 1 Schalter | 2 Informationen |
| 2 Schalter | 4 Informationen |
| 3 Schalter | 8 Informationen |
| 7 Schalter | 128 Informationen |
| 8 Schalter | 256 Informationen |
Ein solcher Schalter ist die kleinste Informationseinheit und wird als Bit (binary digit) bezeichnet.
Alle Informationen im Computer — Anweisungen und Daten — liegen in Kombination von Einsen und Nullen bzw. "Strom" und "kein Strom" vor.
In der EDV werden 8 solcher Schalter oder Bits zu einer Einheit zusammengefasst, dem Byte.
Steuerwerk:
Das Steuer- oder Leitwerk steuert die Reihenfolge der Befehle. Dazu existiert ein Befehlszähler, der die Adresse des nächsten zu verarbeitenden Befehls enthält, und ein Befehlsregister, das den gerade zu verarbeitenden Befehl enthält.
Der Befehlszähler wird nach jedem abgearbeiteten Befehl um die Länge eines Befehls erhöht.
Das Steuerwerk entschlüsselt (decodiert) den zu verarbeitenden Befehl unter der Fragestellung "Was soll womit getan werden?" über den Decodierer.
Außerdem gibt es für die Befehlsausführung nötigen Signale z. B. an das Rechenwerk.
Zur Steuerung der Ablaufgeschwindigkeit gibt es einen Taktgeber.
Rechenwerk:
Es führt die arithmetischen Operationen aus, durch Rückführung auf die Addition
Arithmetic logical Unit ALU
Kanäle:
Sie dienen zum Transport von Daten zwischen den Bestandteilen eines Computers
Die Busse werden unterschieden nach:
- Datenbus:
Er übernimmt den Transport von Daten z. B. zwischen Steuerwerk und Hauptspeicher - Adressbus:
Er übernimmt die Übertragung einer Adresse zwischen Steuerwerk und Hauptspeicher - Steuerbus:
Er transportiert die vom Steuerwerk gesendeten Signale zum Hauptspeicher und zum Rechenwerk.
Wichtig für die Leistungsfähigkeit ist die sogenannte Busbreite. Der Bus besteht quase aus mehreren parallelen Leitungen, über die jeweils ein Bit transportiert wird. Je breiter der Bus, desto mehr Bit können gleichzeitig übertragen werden.
Arbeitsweise der Hardwarekomponenten
Ein Befehl besteht aus 2 Teilen, dem Operationsteil und dem Adressteil. Der Operationsteil gibt an was gemacht werden soll, der Adressteil, womit es gemacht werden soll.
Im Folgenden beziehe ich mich auf Ein-Adress-Maschinen und gehe davon aus, dass ein Befehl ein Byte lang ist.
| Was | Womit |
| Operationsteil | Adressteil |
Um bei Anweisungen, die 2 Operanden benötigen, auch beide zur Verfügung zu stellen, wird eine Standartadresse benutzt, der Akkumulator.
Er ist Bestandteil des Rechenwerks.
Lade Akku 100
Addiere 101
Speichere 200
Für die Ausführung eines Befehls ergibt sich also folgender prinzipieller Arbeitsablauf:
- Das Steuerwerk sendet auf dem Steuerbus ein Signal mit der Bedeutung "Lese einen Befehl aus dem Hauptspeicher" an den Hauptspeicher.
- Er sendet auf dem "Adressbus" die Adresse des Speicherplatzes, von dem gelesen werden soll. Diese Adresse lag im Befehlszähler vor.
- Das Steuerwerk erhält aus dem Hauptspeicher über den Datenbus den zu verarbeitenden Befehl. Der Befehlszähler wird erhöht.
- Das Steuerwerk veranlasst die Ausführung des Befehls:
- Der Befehl wird in den Operations- und den Operandenteil zerlegt und decodiert. Der Operandenteil enthält die Adresse der zu benutzenden Daten.
- Das Steuerwerk sendet die Adresse der benötigten Daten über den Adressbus zum Hauptspeicher.
- Die Daten werden über den Datenbus entsprechend dem Operationsteil vom Hauptspeicher zum Steuerwerk oder zum Rechenwerk transportiert und gemäß der angegebenen Operation verarbeitet.
- Das Steuerwerk beginnt wieder mit Schritt 1. Das wird solange wiederholt bis alle Befehle abgearbeitet sind.
Die oben genannten Schritte werden durch eine Folge elementarer Operationen in der Hardware realisiert.
Zu jedem Befehl gehört eine solche Folge elementarer Operationen, die als Mikrobefehle bezeichnet werden.
Die aufeinanderfolgenden und zusammengehörenden Mikrobefehle nennt man Mikroprogramm.
Die Gesamtheit aller Mikroprogramme wird als Firmware bezeichnet. Die ist im Computer fest verdrahtet.
Quelle:
Inbit, Paderborn