CPU-Register, ALU und Steuerwerk

Betriebssysteme und ihre Rolle

• Der Benutzer interagiert mit Anwendungsprogrammen, die Funktionen des Betriebssystems nutzen, um mit der Hardware zu kommunizieren.
• Das Betriebssystem erhält Aufträge von Anwendungsprogrammen, prüft deren Rechtmäßigkeit und leitet sie an die Hardware weiter.
• Die Hardware führt Befehle im Auftrag des Betriebssystems aus und meldet Rückmeldungen.
• Das Betriebssystem verwaltet Betriebsmittel (Ressourcen) wie Prozesse, Speicher, Geräte und Dateien.

Computerarchitektur

• Computerarchitektur befasst sich mit dem internen und externen Aufbau eines Computersystems.
• Das Steuerwerk holt Maschinenbefehle aus dem Speicher.
• Das Rechenwerk (ALU) führt logische und arithmetische Operationen aus.
• Ein-/Ausgabe-Schnittstellen verbinden externe Geräte mit dem Rechner.
• Alle Komponenten sind über ein Bussystem verbunden.
• Rechenwerk und Steuerwerk sind meist in einem Prozessor (CPU) zusammengefasst.
• Register sind kleine, schnelle Speicherbereiche innerhalb der CPU.

Zentraleinheit (CPU)

• Die CPU ist der zentrale Bestandteil eines Computers und besteht aus Steuerwerk, Rechenwerk und Registern.

Register

• Ein Register ist ein Speicherbereich direkt auf der CPU, der eine kleine Gruppe von Bits speichern kann.
• Die Registerbreite gibt die Anzahl der gleichzeitig speicherbaren Bits an.

Steuerwerk (Befehlsprozessor)

• Das Steuerwerk sendet die Adresse des aktuellen Befehls an das Speicherwerk und erhält den Befehl.
• Der Befehlszähler (Program Counter, PC) verwaltet die Adresse des nächsten Befehls.
• Das Befehlsregister (Instruction Register, IR) speichert den empfangenen Befehl.

Bus-Systeme

• Ein Bus dient zur parallelen Übertragung einer Gruppe von Bits.
• Der Adressbus überträgt Adressen.
• Der Datenbus überträgt Daten.

Rechenwerk (Datenprozessor)

• Das Rechenwerk ist Teil der CPU und führt Berechnungen durch.
• Die ALU (arithmetic-logical Unit) ist der Hauptbestandteil.
• Es besteht eine bidirektionale Verbindung zwischen Steuerwerk und Rechenwerk.
• Das Steuerwerk gibt über Steuerleitungen eine zu berechnende Funktion in Auftrag und das Rechenwerk liefert den Status (Flags) zurück.

Funktionen des Rechenwerks

• Addition (A + B)
• Subtraktion (A - B)
• Multiplikation (A * B)
• Logisches UND (bitweise)
• Logisches ODER (bitweise)
• Vergleich von A und B

Flags

• Flags sind Statusbits, die vom Rechenwerk an das Steuerwerk übermittelt werden.
• Beispiele: Ergebnis gleich Null (ACC=0), Operanden gleich (A=B), A kleiner als B (A
• Gab es einen Überlauf?

Speicherwerk

• MAR (Memory Address Register) speichert die Adresse, welche im Speicherwerk angesprochen werden soll.
• MDR (Memory Data Register) speichert den Wert, der über den Datenbus bereitgestellt wird oder an das Speicherwerk übermittelt wird.

Steuerbus

• Der Steuerbus überträgt Steuerinformationen.

Computeraufbau Übersicht

• Hardware:
  • Prozessor (CPU)
  • Speicher (Hauptspeicher/RAM, sekundärer Speicher)
  • Ein- und Ausgabegeräte
  • Busse (Verbindungselemente).
• Software:
  • Betriebssystem
  • Anwendersoftware.

Komponenten des Prozessors

• Datenprozessor:        - Rechenwerk (ALU)        - Akkumulator (Speicherung von Ergebnissen)        - Multiplikationsregister (MR)        - Link Register (LR)        - Memory Buffer Register (MBR).
• Befehlsprozessor:        - Befehlsdecodierer        - Instruction Register (IR)        - Memory Address Register (MAR):        - Programm Counter (PC).

Speicher

• Arbeitsspeicher (RAM): Lesen und Schreiben möglich.
• ROM: Nur Lesen möglich.
• Speicherzellen: 8 Bit = 1 Byte.
• Die Anzahl der Speicherzellen hängt von der Anzahl der Bits für Adressen ab.
• 32 Bit für Adressen ermöglichen 2^32 Adressen.
• Speicherkapazität = Breite einer Zelle * Anzahl der Zellen (z.B. 1 Byte * 2^32 = 4 GB).
• Hintergrundspeicher (Festplatte): Zur Archivierung von Daten.
• Cache: Zwischenspeicher für meist verwendete oder nächste Daten und Befehle.

Programmarten

• Anwendungsprogramm: Löst Benutzerprobleme (z.B. Textverarbeitung, Browser).
• Systemprogramm: Dient der Verwaltung des Betriebs eines Computers, inklusive Betriebssystem.
• Betriebssystem: Stellt Benutzern und Anwendungsprogrammen elementare Dienste bereit.

Betriebsmittel (Ressourcen)

• Hardware-Ressourcen: CPU, Arbeitsspeicher, Geräte-Controller und zugehörige Geräte (Festplatte, Drucker, Monitor, Tastatur, Maus).
• Software-Ressourcen: Prozess oder Datei auf einem Datenträger.
• Betriebsmittel sind Prozessen zugeordnet und werden während der Abarbeitung benötigt

Klassifizierungen von Betriebsmitteln

• Entziehbares Betriebsmittel: Kann einem Prozess jederzeit entzogen werden (z.B. CPU).
• Nicht entziehbares Betriebsmittel: Muss einem Prozess so lange zur Verfügung stehen, wie dieser es benötigt (z.B. Drucker).
• Exklusiv nutzbares Betriebsmittel: Darf nur maximal einem Prozess zugeordnet sein (z.B. CPU mit einem Kern, Drucker).
• Gemeinsam nutzbares Betriebsmittel: Kann quasi-gleichzeitig von mehreren Prozessen genutzt werden (z.B. Festplatte).

Betriebssystemarten

• Betriebssysteme für Großrechner (Mainframes): Hohe E/A-Rate, große Speicherkapazität, Stapelbetrieb oder transaktionsorientiert (z.B. z/OS von IBM).
• Betriebssysteme für Server: Schnelle Reaktionszeiten, File-/Print-/E-Mail-Server, Terminal-Server (z.B. Windows Server, Unix, Linux).
• Betriebssysteme für Laptops und Personal Computer: Dialogorientierte Nutzung, grafische Oberfläche (z.B. Windows 10/11, MacOS X, Linux mit KDE oder Gnome).

Entwicklung der Betriebssysteme

• Batch-Jobs (Stapelbetrieb): Programme werden nacheinander komplett abgearbeitet.
• Multitasking (Mehrprogrammbetrieb): Mehrere Prozesse wechseln sich bei der Abarbeitung ab.

Kernel-Mode, User-Mode und Systemaufrufe

• Kernel-Mode: Uneingeschränkter Zugriff auf alle Ressourcen, höchste Privilegien.
• User-Mode: Eingeschränkter Befehlssatz und Zugriff auf Ressourcen.
• Systemaufruf: Übergang vom User-Mode in den Kernel-Mode, um Betriebssystemfunktionen auszuführen.

Systemaufrufe

• Ein im User-Mode ablaufender Prozess fordert eine Funktion im Kernel-Mode an
• Das Betriebssystem überprüft die Berechtigung und führt die Funktion stellvertretend aus
• Nach Ausführung wird zurück in den User-Mode geschaltet und das Ergebnis übermittelt
• Beispiel: Zugriff auf eine Datei erfordert einen Systemaufruf, da E/A-Handlungen im Kernel-Mode durchgeführt werden.
• Durch einen Systemaufruf wird ein Software-Interrupt ausgelöst und eine Interrupt-Service-Routine ausgeführt.

Dieses Quiz umfasst Fragen zu CPU-Registern, der arithmetisch-logischen Einheit (ALU) und dem Steuerwerk. Es werden ihre Funktionen, Hauptkomponenten und Aufgaben innerhalb eines Computersystems untersucht. Testen Sie Ihr Wissen über Rechnerarchitektur!