CPU-Erklärung PDF

CPU-Erklärung Externe Schnittstellen....................................................................................... 2 Busse (Verbindungen im Prozessor)................................................................... 2 Steuerlogik...............................................................

CPU-Erklärung Externe Schnittstellen....................................................................................... 2 Busse (Verbindungen im Prozessor)................................................................... 2 Steuerlogik....................................................................................................... 3 Register (kleine Speicherplätze in der CPU)......................................................... 3 Bidirektionaler Datenbus................................................................................... 3 Laden von Befehlen (Instruktionen).................................................................... 4 Laden von Adressen.......................................................................................... 4 Erhöhen des Programmzählers (IP)..................................................................... 4 Allgemeine Berechnungen................................................................................. 5 Indirekte Speicherzugriffe.................................................................................. 5 Speicher beschreiben (Daten speichern)............................................................ 5 Zusammenfassung........................................................................................... 6 Externe Schnittstellen Ein Prozessor (CPU) hat normalerweise keinen eigenen Speicher, außer vielleicht kleine Zwischenspeicher (Caches). Stell dir vor, die CPU ist wie ein Koch in einer Küche. Der Koch hat vielleicht eine kleine Notiz mit einer Rezeptübersicht (Cache), aber die eigentlichen Zutaten (Speicher) befinden sich in der Vorratskammer (externer Speicher). Ein Mikrocontroller (MCU) hat manchmal den Speicher direkt im selben Gehäuse, aber organisatorisch bleibt der Speicher immer extern – also wie eine Küche, wo der Koch eine kleine Speisekammer direkt dabei hat. Busse (Verbindungen im Prozessor) Damit die CPU auf den Speicher zugreifen kann, gibt es mindestens zwei Hauptleitungen: 1. Adressbus – bestimmt, an welcher Stelle im Speicher Daten gelesen oder geschrieben werden. 2. Datenbus – transportiert die eigentlichen Daten. Beispiel: Stell dir vor, du bist in einer Bibliothek. Der Adressbus ist wie die Regalnummer, die dir sagt, wo ein bestimmtes Buch steht. Der Datenbus ist das Buch selbst, das du aus dem Regal nimmst oder zurückstellst. Ein Bus ist nichts anderes als eine Gruppe von Drähten. Beispiel: Ein 8-Bit-Adressbus ist wie eine Gruppe von 8 Lichtschaltern, die zusammen eine Zahl von 0 bis 255 codieren können. Es gibt auch Steuerleitungen (Control Lines), die dem Speicher sagen, ob die CPU gerade Daten lesen oder schreiben möchte. Beispiel: Ein Kellner fragt in einem Restaurant, ob du bestellen oder bezahlen möchtest – das entspricht der Steuerleitung, die sagt, ob Daten gelesen oder gespeichert werden. Steuerlogik Damit die CPU funktioniert, braucht sie eine Art "Chef", der alle Komponenten koordiniert. Dies nennt man den Sequencer/Decoder. Er nimmt eine Anweisung (z. B. „Addiere zwei Zahlen“) Er teilt der Rechenmaschine (ALU) mit, was zu tun ist Er steuert alle Verbindungen Beispiel: Stell dir vor, du bist in einem Orchester. Der Dirigent (Sequencer) gibt allen Musikern Anweisungen, wann sie spielen sollen. Die ALU (Arithmetisch-Logische Einheit) ist wie ein Taschenrechner, der Zahlen verarbeiten kann, z. B. Addieren oder Vergleichen. Register (kleine Speicherplätze in der CPU) Eine CPU braucht interne Speicherplätze, die wir Register nennen. Die wichtigsten sind: 1. Opcode-Register – speichert die aktuelle Anweisung 2. Akkumulator (Accumulator) – speichert Zwischenergebnisse von Berechnungen 3. IP (Instruction Pointer) – zeigt, wo die nächste Anweisung im Speicher steht Beispiel: Das Opcode-Register ist wie eine To-Do-Liste mit der aktuellen Aufgabe. Der Akkumulator ist wie ein Einkaufswagen, in dem du Dinge sammelst. Der Instruction Pointer ist wie eine Zeile in einem Kochbuch, die dir sagt, welches Rezept du als nächstes kochen sollst. Bidirektionaler Datenbus Der Datenbus kann sowohl Daten senden als auch empfangen. Das muss koordiniert werden. Dazu nutzt man einen Bus-Transceiver mit sogenannten Tri-State-Puffern (Schalter, die ein- oder ausgeschaltet werden können). Beispiel:  Stell dir eine Einbahnstraße vor, auf der sich die Fahrtrichtung ändern kann. Ein Verkehrspolizist (Steuerlogik) entscheidet, ob Autos in eine oder in die andere Richtung fahren dürfen. Laden von Befehlen (Instruktionen) Die CPU muss Befehle aus dem Speicher holen. Dazu verbindet sie den Datenbus mit dem Opcode-Register. Da der Datenbus auch für andere Aufgaben benötigt wird, nutzt man einen Demultiplexer, um die Daten an die richtige Stelle zu leiten. Beispiel: Ein Briefträger hat eine große Tasche voller Briefe (Daten). Der Demultiplexer ist wie ein Sortiersystem, das entscheidet, welcher Brief in welches Postfach kommt. Laden von Adressen Um eine Adresse zu laden, muss die CPU den Instruction Pointer (IP) auf den Adressbus legen. Da sie aber später auch andere Daten darauflegen will, nutzt sie einen Multiplexer (MUX). Beispiel: Ein Multiplexer ist wie eine Weiche an einem 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. Das kann die ALU übernehmen, indem sie „1“ zum IP addiert. Beispiel: Der IP ist wie eine Zeile in einem Kochbuch. Nach jedem Schritt blätterst du eine Zeile weiter. Allgemeine Berechnungen Meistens arbeitet die CPU mit dem Akkumulator (Accumulator) als erste Zahl und einer zweiten Zahl aus dem Speicher. Dazu verbindet sie den Akkumulator und den Speicher mit der ALU. Beispiel: Wenn du eine Einkaufsliste hast und etwas aus dem Regal nimmst, ist der Akkumulator deine Einkaufstasche, und der Speicher ist das Regal. Indirekte Speicherzugriffe Manchmal möchten wir Daten an einer Adresse speichern, die im Akkumulator steht. Dazu verbinden wir den Akkumulator mit dem Adressbus über einen MUX. Beispiel: Du hast eine Adresse auf einem Zettel (Akkumulator) und gibst diese einem Taxifahrer (Adressbus), der dich dann an den richtigen Ort bringt. Speicher beschreiben (Daten speichern) Um Daten in den Speicher zu schreiben, muss die CPU den Akkumulator auf den Datenbus legen. So kann der Speicher die Daten an der richtigen Adresse speichern. Beispiel: Du möchtest eine Notiz in ein Buch schreiben. Die Adresse des Buches (Speicherort) wird durch den Adressbus festgelegt. Der Akkumulator enthält den Text, den du schreiben möchtest.  Der Datenbus bringt die Notiz an die richtige Stelle. Zusammenfassung 1. Die CPU ist wie ein Koch, der Rezepte (Befehle) aus einem Kochbuch (Speicher) liest und Zutaten (Daten) verarbeitet. 2. Der Adressbus sagt, wo etwas gespeichert ist, wie eine Regalnummer in einer Bibliothek. 3. Der Datenbus transportiert Daten, wie ein Buch, das du aus dem Regal nimmst oder zurückstellst. 4. Die Steuerlogik (Sequencer) ist der Dirigent, der alles koordiniert. 5. Der Akkumulator ist wie eine Einkaufstasche, in der du Zutaten sammelst. 6. Ein Multiplexer ist wie eine Weiche, die entscheidet, welche Information wo hingeschickt wird. 7. Ein Demultiplexer ist wie eine Postsortierung, die Briefe an die richtigen Empfänger verteilt. 8. Ein Bus-Transceiver ist wie eine Einbahnstraße, die mal in die eine, mal in die andere Richtung fährt. Ich hoffe, das macht es anschaulicher! Hast du Fragen zu einem bestimmten Teil?