CPU

Externe Schnittstellen

• Eine CPU besitzt normalerweise keinen eigenen Speicher außer kleine Zwischenspeicher (Caches.)
• Ein Mikrocontroller hat manchmal Speicher im selben Gehäuse, aber der Speicher bleibt organisatorisch extern.
• Die CPU kann mit mindestens zwei Hauptleitungen auf den Speicher zugreifen: Adressbus und Datenbus.
• Der Adressbus bestimmt, wo im Speicher Daten gelesen oder geschrieben werden.
• Der Datenbus transportiert Daten.
• Steuerleitungen geben dem Speicher an, ob die CPU Daten lesen oder schreiben möchte.
• Ein 8-Bit-Adressbus ist wie 8 Lichtschalter, die eine Zahl von 0 bis 255 codieren können.

Busse (Verbindungen im Prozessor)

• Der Adressbus in einer Bibliothek ist wie die Regalnummer, die angibt, wo ein Buch steht.
• Der Datenbus ist das Buch, das man aus dem Regal nimmt oder zurückstellt.
• Ein Bus ist eine Gruppe von Drähten.

Steuerlogik

• Der Sequenzer/Decoder ist der "Chef" der CPU, der alle Komponenten koordiniert.
• Die Steuerlogik nimmt eine Anweisung, teilt der ALU mit, was zu tun ist, und steuert alle Verbindungen.
• Die ALU (Arithmetisch-Logische Einheit) verarbeitet Zahlen, z. B. durch Addition oder Vergleiche.

Register (kleine Speicherplätze in der CPU)

• Die CPU benötigt interne Speicherplätze, die als Register bezeichnet werden.
• Zu den wichtigsten Registern gehören: das Opcode-Register, der Akkumulator und der Instruction Pointer (IP).
• Das Opcode-Register speichert die aktuelle Anweisung.
• Der Akkumulator speichert Zwischenergebnisse von Berechnungen.
• Der Instruction Pointer (IP) zeigt, wo die nächste Anweisung im Speicher steht.
• Das Opcode-Register ist wie eine To-Do-Liste, der Akkumulator wie ein Einkaufswagen, der Instruction Pointer wie eine Zeile in einem Kochbuch.

Bidirektionaler Datenbus

• Der Datenbus kann Daten senden und empfangen. Dies wird durch Bus-Transceiver mit Tri-State-Puffern ermöglicht.
• Ein Bus-Transceiver ist wie eine Einbahnstraße, auf der ein Verkehrspolizist (Steuerlogik) die Fahrtrichtung ändert.

Laden von Befehlen (Instruktionen)

• Um Befehle aus dem Speicher zu holen, verbindet die CPU den Datenbus mit dem Opcode-Register.
• Ein Demultiplexer leitet die Daten an die richtige Stelle, da der Datenbus auch für andere Aufgaben benötigt wird.
• In Analogie ist der Demultiplexer wie ein System, das die Briefe richtig sortiert.

Laden von Adressen

• Zum Laden einer Adresse legt die CPU den Instruction Pointer (IP) auf den Adressbus.
• Ein Multiplexer (MUX) wird eingesetzt, da später auch andere Daten darauf abgelegt werden sollen.
• Ein Multiplexer ist wie eine Weiche am Bahnhof, die entscheidet, welcher Zug auf welches Gleis fährt.

Erhöhen des Programmzählers (IP)

• Nach jedem Befehl muss der Instruction Pointer (IP) erhöht werden, damit die CPU weiß, wo der nächste Befehl steht.
• Die ALU kann den IP erhöhen, indem sie "1" zum IP addiert.
• Der IP ist wie eine Zeile in einem Kochbuch, die nach jedem Schritt weiterblättert.

Allgemeine Berechnungen

• Meistens arbeitet die CPU mit dem Akkumulator als erste Zahl und einer zweiten Zahl aus dem Speicher.
• Akkumulator und Speicher werden dazu mit der ALU verbunden.
• Der Akkumulator ist wie eine Einkaufstasche, der Speicher wie ein Regal.

Indirekte Speicherzugriffe

• Daten können an einer Adresse gespeichert werden, die im Akkumulator steht.
• Dazu verbindet man den Akkumulator mit dem Adressbus über einen MUX.
• Der Akkumulator auf unserem Zettel ist wie ein Taxifahrer.

Speicher beschreiben (Daten speichern)

• Um Daten in den Speicher zu schreiben, legt die CPU den Akkumulator auf den Datenbus.
• Der Speicher kann so die Daten an der richtigen Adresse speichern.
• Die Adresse des Buches (Speicherort) wird durch den Adressbus festgelegt, der Akkumulator enthält den Text, und der Datenbus bringt die Notiz an die richtige Stelle.

Zusammenfassung

• Die CPU gleicht einem Koch, der Rezepte aus einem Kochbuch liest und Zutaten verarbeitet. 
• Der Adressbus gibt an, wo etwas gespeichert ist, ähnlich einer Regalnummer in einer Bibliothek.
• Der Datenbus transportiert Daten, wie ein Buch, das aus dem Regal entnommen wird. 
• Die Steuerlogik ist wie ein Dirigent, Koordinator aller Abläufe.
• Der Akkumulator ist wie eine Einkaufstasche für die Zutaten.
• Ein Multiplexer ist wie eine Weiche, die entscheidet, wohin eine Information geschickt wird. 
• Ein Demultiplexer gleicht der Postsortierung, die Briefe an die richtigen Adressaten zustellt.
• Ein Bustransceiver ist vergleichbar mit einer Einbahnstraße, die wechselweise in unterschiedliche Richtungen befahren wird.