Rechnerarchitektur computer - was steckt drin?�1

Traditionelle Rechner

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Modernere Rechner

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Noch Modernere Rechner

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Ein Mac ist noch cooler...

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Rechner Vor 3 Jahren

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Rechner Heute

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Rechner Der Zukunft

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features Windows 7!!!

Aufbau eines Computersystems

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Hauptkomponenten eines Computers • Prozessor (Central Processing Unit, CPU) • Arbeitsspeicher (Hauptspeicher, RAM) • Peripheriegeräte

Eingabegeräte: Tastatur, Maus, Scanner, Digitalkamera, Sensoren Ausgabegeräte: Monitor, Lautsprecher, Drucker, Beamer Datenspeichergeräte: Festplatte, CD, DVD, Diskette, Magnetband Kommunikation: Netzwerkkarte, WLAN-Karte, DSL, ISDN

Anforderungen

• Machine soll rechnen können!

• Universell einsetzbar (keine spezielle Maschine!)

• Eingabemöglichkeiten

• Ausgabemöglichkeiten

• Soll unangenehme Arbeit abnehmen

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Wie baut man so eine Maschine?!

Mechanische Ansätze

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Arithmometer von 1820

Mechanische Ansätze

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Mechanischer Rechner von 1914 (bis 1970er im Gebrauch!)

Von-Neumann

• Schlägt theoretisches Modell einer universellen Maschine vor

• Erstmals umgesetzt von Konrad Zuse 1937/38 in der „Zuse Z1“

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Zuse Z1

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Zuse Z1

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Von-Neumann-Architektur

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Central Processing UnitOft auch ALU genannt (arithmetic logic unit)

Von-Neumann-Architektur

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Von-Neumann-Architektur

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ArbeitsauftragErkunde im Internet die Bedeutung der unterschiedlichen von Neumann-Komponenten!

Von-Neumann-Architektur

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Arithmetic Logic Unit

Beispiel: Multiplikation zweier Variablen

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Von-Neumann-Architektur

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ArbeitsauftragErkunde im Internet den feststehenden Begriff "von Neumann-Flaschenhals" und notiere die Bedeutung!

GANZ WICHTIGER BEGRIFF FÜR ABITUR!

Von-Neumann-Flaschenhals

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Programm und Daten liegen im gleichen Speicher und jeder Befehl muss Schritt für Schritt, nacheinander abgearbeitet werden (keine Parallelität vorhanden)

Neue Architektur

• HP hat im Juni 2014 eine neue Rechnerarchitektur vorgestellt - „The Machine“

• Keine Separaten Register-, RAM- und Longterm-Speicher sondern nur noch ein Speicher, der extrem schnell, extrem groß und extrem energiearm ist! --> REFERATTHEMA!!!

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Registermaschine

• Theoretische Umsetzung der Von-Neumann-Architektur

• Aktuelle Mikroprozessoren basieren auf dem Modell der Registermaschine

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Von-Neumann-Rechner sind Registermaschinen

• Arbeitsspeicher/Arbeitsregister enthält Programme

• Viele schnelle Speicher, die sog. Register:

➡ Der Befehlszähler (BZ)

➡ Das Befehlsregister (BR)

➡ Das Statusregister (SR)

➡ Die Datenregister (A, R1, R2, R3, ...)

‣ A ist der Akkumulator und hat eine besondere Bedeutung

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Wie programmiert man Registermaschinen?

• Mit Java?

• Mit C++?

• NEIN!

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Wie programmiert man Registermaschinen?

Assembler

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Assembler

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Assembler

• Elementare aber Turing-vollständige Sprache

• Maschinennah (auf Registern arbeitend)

• Nur Befehle sind verwendbar, welche die Maschine (der Prozessor) versteht

• Je nach Prozessor sieht der ASSEMBLER also unterschiedlich aus!

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Assembler-Befehle

• Transportbefehle

• Arithmetische Rechenbefehle

• Sprungbefehle

• Logische Befehle

• END-Befehl

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UNsere Registermaschine (Arbeitsspeicher-Bytes nennen sich hier Register)

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Minimaschine: http://schule.awiedemann.de/minimaschine.html

http://schule.awiedemann.de/minimaschine.html

Assembler-Befehle• Transportbefehle

• Arithmetische Rechenbefehle

• Sprungbefehle

• Logische Befehle

• END-Befehl

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Minimaschine

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CPU-Kontrolle Editor-Fenster

Speicheranzeige

Bedienung der Minimaschine

1.Code im Editorfenster schreiben & speichern

2.Code assemblieren - d.h. auf Maschinensprache (Einser&Nuller) übersetzen und in den Speicher laden Speicheranzeige wird sich verändern

3.Einzelschrittausführung im CPU-Fenster

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Beispiel: Quader-Volumen

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ASSEMBLIEREN...

Beispiel: Quader-Volumen

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laenge an Speicherzelle 10 mit Wert 2

Lade (Code 276) Wert aus Zelle 10

WICHTIG FÜR ABITUR: Begriff „Befehlszyklus“

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Vgl. Abituraufgabe 2018 (auf Webheft updaten!)

WICHTIG FÜR ABITUR: Begriff „Befehlszyklus“

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Vgl. Abituraufgabe 2018 (auf Webheft updaten!)

Begriff „Opcode“

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Erste einfache Programme:

- Addiere zwei Zahlen

- Addiere 32767 und 1 (Was geschieht?)

- Subtrahiere zwei Ganzzahlen (Werden negative Ergebnisse dargestellt?)

- Multipliziere zwei Brüche (Z1,N1,Z2,N2)

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Arbeitsauftrag

• Schreibe ein Assembler-Programm welches zu einem gegebenen Preis OHNE Mehrwertsteuer den Vollpreis inklusive MwSt. ermittelt!

• Es funktionieren nur Preise bis 2,75€ - Warum?

Vielleicht so?# Programmstart

LOAD preis

MUL steuerFaktor

STORE preis

DIVI 100

STORE ganzerAnt

LOADpreis

MODI100

STORE nachkomma

HOLD

# Datasegment

preis: WORD 275

steuerFaktor: WORD 119

ganzerAnt: WORD 0

nachkomma: WORD 0 �43

Warum sind nur Preise bis 2,75€ berechenbar?

Alternative Lösung - etwas besser?

# Programmstart

LOAD preis

MUL steuerFaktor

STORE preis

DIVI 10

STORE brutto

HOLD

# Datasegment

preis: WORD 275

steuerFaktor: WORD 19

brutto: WORD 0

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Mit dieser Lösung sind auch höhere Preise möglich (Erg hier nur in cent)

Algorithmische Strukturelemente

• Bisherige Aufgaben nur Sequenzen von Anweisungen

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umfang-berechnen

flaeche-berechnen

werte-ausgeben

neuen-x-wert-holen

HochspracheStruktogramm

Algorithmische Strukturelemente

Es fehlen Strukturelemente jeder höheren Programmiersprache:

• Einseitige / mehrseitige bedingte Anweisung

• Bedingte Wiederholung

• Zählende Wiederholung

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# Algorithmus um ein Produkt mittels wiederholter Addition zu berechen.

LOADI 0

STORE Produkt # Ergebnis vorbesetzen

Start: # Start der Wiederholung

LOAD Faktor1

JMPNP Ende # Zu "Ende" springen, falls der Zähler kleiner gleich 0 geworden ist

SUBI 1 # Zähler erniedrigen

STORE Faktor1

LOAD Produkt

ADD Faktor2

STORE Produkt # Ergebnis updaten

JMP Start

Ende:

HOLD # Maschine anhalten

# Datenteil

Faktor1: WORD 5

Faktor2: WORD 4 # Der zweite Faktor wird fortwährend addiert

Produkt: WORD 0 # Platz für das Ergebnis

Multiplikation durch Addition - komplexere Programme

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# Der erste Faktor dient als Zähler für die

# Wiederholung der Addition

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Abitur 2018: BEFEHLSZÄHLER

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Abitur 2018: BEFEHLSZÄHLER

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Arbeitsauftrag• Schreibe ein Assemblerprogramm zur Berechnung der

Potenz.

• Bsp: Drei hoch Fünf

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Arbeitsauftrag• Ergänze zunächst den

Java Code, um die Struktogramme zu verstehen!

• Probiere dann mit der Manual der Minimaschine eine Übersetzung in Assembler zu finden!

Kannst Du das Struktogramm lesen? Notiere den zugehörigen Algorithmus in Pseudocode!

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Arbeitsauftrag das Programm überschreibt sich selbst...Buch Seite 102 oben:

Passe die Assembler-Programme an die Minimaschine an!

Zeichne den Code als Struktogramm!

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Vorsicht: Programm 1 ist auf Speichereffizienz ausgerichtet. NACHDEM DLOAD 65 ausgeführt wurde, wird in Register 1 gespeichert und soweiter. Dadurch werden keine Register verschwendet. Das Programm überschreibt sicht mit Ergebnissen selbst, da es die Ergebnisse seiner Operationen auf die anfänglichen Speicherzellen schreibt, in denn OP-Codes standen

Wie oft hört man die Gläser klingen, wenn n Menschen miteinander anstoßen?

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1. Notiere auf einem Blatt den Assemblercode2. Notiere für die ersten 10 Arbeitsschritte die Belegung aller Register

Akkumulator BZ Var1 Var2...0 0 10 0

Achtung! Befehlszähler oder Programmzähler ist das Gleiche

War 2018 ein Schaltjahr?

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1. Notiere auf einem Blatt den Assemblercode2. Notiere für die ersten 10 Arbeitsschritte die Belegung aller Register

Akkumulator BZ Var1 Var2...0 0 10 0

Reale Maschinen

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Echte Prozessoren heute

• Ergebnisse von Rechnungen können in beliebige Register gespeichert werden

• Datentypen werden unterschieden: Byte (B, 8bit), Halbwort (H,16bit), Wort (W,32bit), Fließkomma (F, 32bit)

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ADD W R3, R8, R5

Referatthemen

• Maschinensprache zu Hochsprache (113-115)

• Darstellung von Datentypen (116+117)

• Geschichte des Computers (118-121)

• Die x86-Architektur (Realmode vs Protectedm)

• Binärarithmetik (mit meinem AB)

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Lewis maschinensprche zu Hochsprache

Roman Geschichte des Computers

Julian M x86 Architektur

Michael E Datentypen

Binärarithmetik

Gemeinsames Erarbeiten des Arbeitsblattes...

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Wie macht das die Minimachine?

Überprüfe den Speicherin hexadezimal!

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Wie macht das die Minimachine?

Überprüfe den Speicherin hexadezimal!

Zum Üben von Umrechnungen:

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http://manderc.com/concepts/umrechner/