Telekolleg - Informatik


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Technologie - 6. Mikrocomputertechnik 3. Funktionsweise eines Mikrocomputers

Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe sowie Datenbus, Adressbus und Steuerbus sind zentrale Begriffe zum Thema "Funktionsweise eines Mikrocomputers". Was hat es damit auf sich?

Stand: 13.04.2017

Anwendung von Mikrocomputern | Bild: BR

Mit dem EVA-Prinzip (siehe oben stehendes Bild) kann man die Struktur jeder Datenverarbeitungsanlage beschreiben, egal ob es sich um einen Personal-Computer, den Großrechner einer Bank oder eine computergesteuerte Heizungsanlage handelt. E steht für Eingabe, V für Verarbeitung und A für Ausgabe.

Zwischen der Eingabe und der Verarbeitung und zwischen der Verarbeitung und der Ausgabe sind Interfaces notwendig, die elektrische Signale der Eingabegeräte umwandeln in 0-1-Ketten der Maschinensprache und dann wieder zurück in elektrische Signale der Ausgabegeräte.

Die Aufgaben eines Computers

Diese Aufgaben werden mit Ketten von Nullen und Einsen erfüllt.

Welche typischen Aufgaben hat ein Computer zu erfüllen? Er soll zum Beispiel Programme ausführen! Dafür müssen Rechnungen gelöst werden: Plus-Rechnungen, minus, mal, geteilt, sinus und viele weitere Funktionen wie die Exponentialfunktion. Bei Programmabläufen sind logische Vergleiche nötig: welche Zahl ist größer, kleiner, welche Daten sind gleich - eine Bedingung und eine zweite sollen gleichzeitig erfüllt sein.

Rechnen mit Dualzahlen

Außerdem soll ein Computer Daten speichern oder verarbeiten; er soll Maschinen steuern und regeln und er soll Grafiken und Töne erzeugen. Additionen mit Dualzahlen sind nichts anderes als komplexere Logik-Funktionen, zum Beispiel eine Kombination von ODER- und UND-Entscheidungen. Einfachstes Beispiel: Addition zweier einstelliger Dualzahlen. Siehe dazu das Video:

Experiment zur Addition zweier vierstelliger Dualzahlen

Es wird ein Experiment mit einem Volladdierer für vierstellige Dualzahlen vorgeführt. Diese einfache Recheneinheit für eine Addition kann man sich als Modell dafür vorstellen, wie ein Computer mit Dualzahlen rechnet. In ähnlicher Weise lassen sich bei Dualzahlen auch alle anderen mathematischen Rechenarten mit Kombinationen logischer Schaltungen realisieren. Deshalb beruhen auch kompliziertere mathematische Funktionen wie die Sinus- oder Exponentialfunktion letztendlich auf logischen Funktionsbausteinen.

Übersicht über den grundsätzlichen Aufbau eines Computers.

Ein Trick vollzieht den Übergang vom einfachen experimentellen Modell zur komplexen Architektur eines Mikroprozessors bzw. einer CPU: Begonnen wird mit der Darstellung der ALU, der arithmetischen und logischen Einheit, und ihrem Zwischenspeicher AKKU. Das Statusregister ist ein Speicher, in dem die ALU besondere Ergebnisse vermerkt: ein Minuszeichen, einen Übertrag, ein Kontroll-Bit und so weiter.

Eine andere zentrale Einheit ist der Befehlszähler mit seinem Speicher, der Adressregister genannt wird. Der Befehlszähler arbeitet ein Programm Schritt für Schritt ab. Im Adressregister wird die Adresse des Arbeitsspeichers festgehalten, in dem der aktuelle Befehlsschritt gespeichert ist. Die dritte zentrale Einheit ist der Befehlsdekoder mit seinem Befehlsregister. Der Befehlsdekoder zerlegt die Befehle des Computerprogramms in Sequenzen von Maschinenbefehlen. Die Ablaufsteuerung koordiniert die drei zentralen Einheiten, der Taktgeber bestimmt die Geschwindigkeit, in der die Einzelschritte ablaufen. Alle beschriebenen Einheiten eines Prozessors sind untereinander durch elektrische Leitungsbündel (BUS) verbunden: Sie bilden einen Datenbus, einen Adressbus und den Steuerbus. Siehe dazu das Video:


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