Antworten zu den Fragen und Übungen zu Kapitel 7.

1. Ein Register ist ein prozessorinterner und damit sehr schneller Speicher. R. dienen der (Zwischen-) Speicherung von Adressen oder Daten. Spezielle R. sind z.B. der Programmzähler, der die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls enthält und das Statusregister, das den aktuellen Prozessorzustand mit den Bedingungsbits (flags) darstellt.

2. Die ALU ist die Arithmetisch-logische Einheit. Sie führt die arithmetischen und logischen Operationen an den Operanden aus. Bei der Verknüpfung zweier Operanden steht der eine im Akkumulator, der andere in einem Register oder in einer Speicherzelle des Arbeitsspeichers.

3. Adreß-, Daten- und Steuerbus, Versorgungsspannung, Takt

4. Die Rechnerstruktur ist problemunabhängig. Zur Lösung eines konkreten Problems muß ein Programm eingegeben werden. Programme und Daten werden binär codiert und im selben Speicher gehalten. Die korrekte Zuordnung ist nur aus dem Zusammenhang möglich. Aufeinanderfolgende Programmbefehle werden in aufeinanderfolgenden Speicherzellen abgelegt. Das Ansprechen geschieht durch Erhöhung der Befehlsadresse im Befehlswerk um eins. Durch Sprungbefehle kann von der gespeicherten Programmreihenfolge abgewichen werden.

5. $2^{24} =16$ MByte

6. Erweiterungen der bestehenden Architektur: größere Wortbreite, breitere Adressen, höhere Taktrate usw.; Übernahme von Techniken aus dem Großrechnerbereich: virtuelle Speichertechnik, Speicherverwaltungseinheiten, Multitasking, interne Warteschlangen und Caches.

7. CISC (complex instruction set computer): breites Spektrum von zum Teil komplexen Instruktionen (mehr als 200) mit unterschiedlichsten Adressierungsarten, implementiert in Mikro-code. Damit direkte Unterstützung von Funktionen höherer Programmiersprachen und Betriebssystemen; resultiert in einfacheren Compilern, kürzerem Programmcode. Nachteile: komplexe Befehle werden selten angewendet (80% der Anwendungen nutzen nur 20% der vorhandenen Befehle) und sind aufwendig in der Codierung und Decodierung, Chipherstellung kompliziert und teuer, da Funktionen und Unterstützungsmittel hardwaremäßig implementiert werden müssen.

   RISC (reduced instruction set computer): wenige (etwa 100) einfache Befehle mit einfachem, festem Format gestattet Verzicht auf Mikroprogrammierung und erlaubt schnelle Dekodierung. Befehlsabarbeitung in einem Takt, Chipherstellung einfacher. Speicherkommunikation beschränkt auf Laden und Speichern, andere Manipulationen geschehen in den Registern (bis zu 1000); damit einfachere Adressierung. Nachteil: größerer Compilationsaufwand zur möglichst optimalen Ordnung der Befehle und zur Nutzung des Pipelinings.

8. Ein Benutzerprogramm kann den gesamten logischen Adreßraum benutzen. Liegt eine Speicheradresse außerhalb des tatsächlich existierenden (physikalischen) Speichers, so sorgt das Betriebssystem in Zusammenarbeit mit dem Prozessor und der Speicherverwaltung dafür, daß Speicherbereiche aus Hauptspeicher und externem Speicher ausgetauscht werden (swapping).

9. Befehlspipelining: Die verschiedenen Phasen der Befehlsausführung (Befehl lesen, Adreßberechnung, Operanden lesen, Ausführen) können von voneinander unabhängigen Funktionseinheiten bearbeitet werden. Für Einzelbefehle werden diese Phasen nacheinander durchlaufen, jedoch können mehrere Befehle in unterschiedlichen Phasen gleichzeitig in Arbeit sein.

10. Ein schneller Zwischenspeicher, der z.B. zwischen Platte und Arbeitsspeicher angeordnet ist. Z.B. bei einem Lesezugriff wird zunächst im schnelleren Cache nachgesehen. Falls der entsprechende Sektor dort vorhanden ist, wird er ohne Wartezeit und damit wesentlich schneller als von der Platte aus dem Cache kopiert, ansonsten muß der Sektor zunächst von der Platte in den Cache geladen werden.

11. Datenwerk, Adreßwerk, Steuerwerk, Bustreiber.

    Das Datenwerk besteht aus der Arithmetisch-Logischen Einheit (ALU), in ihm werden Daten bearbeitet. Das Adreßwerk besteht aus dem Befehlszähler und den Adreßregistern, es dient der Adreßberechnung. Das Steuerwerk ist mit allen Bausteinen über Steuerleitungen verbunden. Es besteht aus dem Befehlsdekodierer und den Befehlsregistern und dient der Befehlsausführung. Der Bustreiber dient der Behandlung des Prozessorbusses.