CO - Informatik - Christoph Oberweis

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Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph…
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Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph Oberweis, BBSW Trier CPU • CPU: Central Processing Unit • deutsch: Zentrale Prozessoreinheit • oder kurz: Prozessor (Hardwarekomponente) Die CPU steuert über Software andere Bestandteile des PCs. Die grundlegende Eigenschaft des Prozessors ist seine Programmierbarkeit. Der Prozessor führt Befehle aus. Prozess, vergleichbare Begriffe: Ablauf, Vorgang C.O. 2 Alles im richtigen Takt! Ein Prozessortakt ist die Zeit für die Ausführung eines einfachen Befehls. Für die Division und andere komplizierter Befehle braucht der Prozessor mehrere Takte. Eine Taktfrequenz von einem Megahertz bedeutet, dass der Prozessor eine Million einfache Befehle pro Sekunde ausführen kann. Die Taktfrequenz gibt also die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors an. Taktgeber ist ein Schwingquarz auf der Hauptplatine. C.O. 3 Komponenten der CPU Vereinfachte Darstellung C.O. 4 Komponenten der CPU Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung C.O. 5 Komponenten der CPU Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) C.O. 6 Komponenten der CPU Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) Rechenwerk: ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig C.O. 7 … und noch der Arbeitsspeicher Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) Rechenwerk: ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig Arbeitsspeicher: hier stehen Daten und die Programme C.O. 8 Eingabe Verarbeitung Ausgabe Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung Eingabe Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff) Rechenwerk: ist für arithmetische Verarbeitung und logische Funktionen zuständig Arbeitsspeicher: hier stehen Daten und die Programme Ausgabe C.O. 9 Abarbeitung eines Befehls Vereinfachte Darstellung C.O. 10 Befehlszyklus 1. Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 1 C.O. 11 Befehlszyklus 1. Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2. Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 2 1 C.O. 12 Befehlszyklus 1. Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2. Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 2 3 3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird 1 vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen. C.O. 13 Befehlszyklus 1. Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2. Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 2 3 3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird 1 vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den 4 Registern durchzuführen. 4. Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher. C.O. 14 Befehlszyklus 1. Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2. Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 2 3 3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird 1 vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den 4 Registern durchzuführen. 4. Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher. Hinweis: Aus Gründen der Vereinfachung wurde hier der Befehlszähler nicht berücksichtigt! C.O. 15 Befehlszyklus 1. Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden. 2. Dekodierphase: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte, z. B. eine Addition. 2 3 3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird 1 vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den 4 Registern durchzuführen. 4. Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher. Ein Befehlszyklus benötigt i.d.R. also mehrere CPU-Takte, wobei jede Phase C.O. wiederum auch aus mehreren CPU-Takten bestehen kann. 16 Programmiert wird der Zyklus … C.O. 17 Programmiert wird der Zyklus … … mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt. C.O. 18 Programmiert wird der Zyklus … … mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt. • Holphase, • Dekodierphase Aus • Ausführungsphase (Addition) • Schreibphase C.O. 19 Programmiert wird der Zyklus … … mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt. • Holphase, wird der Additionsbefehl • Dekodierphase Aus • Ausführungsphase (Addition) • Schreibphase ADD C.O. 20 Addiert wird also mit ADD C.O. 21 Addiert wird also mit ADD … aber wo kommen die Daten her??? C.O. 22 … aber wo kommen die Daten her??? Zur Erinnerung: Die Daten stehen in den Registern, damit das Rechenwerk sie auch nutzen kann: C.O. 23 Register - kleine schnelle Speicher Zur Erinnerung: Die Daten stehen in den Registern, damit das Rechenwerk sie auch nutzen kann: Name der Register AX BX CX DX Daten C.O. 24 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. C.O. 25 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX C.O. 26 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX Zuerst das AX - Register: MOV AX, 0003 C.O. 27 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX 3 Befehl wurde ausgeführt! MOV AX, 0003 C.O. 28 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann. AX BX CX DX 3 Und jetzt das CX-Register: MOV CX, 0004 C.O. 29 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden! AX BX CX DX 3 4 C.O. 30 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden! AX BX CX DX 3 4 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX C.O. 31 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden! AX BX CX DX 3 4 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX Addiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers! C.O. 32 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden! AX BX CX DX E 3 4 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX V & A Addiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers! C.O. 33 Auch hier gilt das EVA-Prinzip! Und nach der Programmausführung: AX BX CX DX E 7 4 Der vollständige Additionsbefehl: ADD AX, CX V & A Addiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers! C.O. 34 Und jetzt das ganze Programm 1. Schritt: In Register AX die Zahl 3 schreiben 2. Schritt: In Register CX die Zahl 4 schreiben 3. Schritt: Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern C.O. 35 Und jetzt das ganze Programm 1. Schritt: In Register AX die Zahl 3 schreiben 2. Schritt: In Register CX die Zahl 4 schreiben 3. Schritt: Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern MOV AX, 0003 MOV CX, 0004 ADD AX, CX C.O. 36 Jetzt wird getestet C.O. 37 Jetzt wird getestet Prima! C.O. 38 Der Haken: MOV AX, 0003 Das versteht der MOV CX, 0004 Computer nicht! ADD AX, CX C.O. 39 Die Lösung: Es gibt Programme, welche die Assemblerbefehle in die Maschinensprache übersetzen (z. B. unter DOS: debug). MOV AX, 0003 B80300 MOV CX, 0004 B90400 ADD AX, CX 01C8 C.O. 40 Vom Quellprogramm zum Maschinenprogramm Es gibt Programme, welche die Assemblerbefehle in die Maschinensprache übersetzen (z. B. unter DOS: debug). MOV AX, 0003 B80300 MOV CX, 0004 B90400 ADD AX, CX 01C8 Quellprogramm Maschinen- Übersetzung programm C.O. 41 So sieht es aus: Adressen Maschinenprg. Assemblerprg. C.O. 42 Anmerkung MOV AX, 0003 B80300 MOV CX, 0004 B90400 ADD AX, CX 01C8 Es handelt sich hier um die Umwandlung eines Assemblerprogramms in ein Maschinenprogramm, welches die CPU direkt ausführen kann. Beachte: Sowohl die Zeichen der Assemblersprache als auch die Maschinenbefehle sind im Computer binär abgespeichert. Die HEX-Codierung (z. B.: B9) dient nur der besseren Lesbarkeit; „MOV CX, 0004“ ist in der binären Darstellung nicht identisch mit „B90400“, sonst wäre ja die Übersetzung nicht notwendig. C.O. 43 Darstellung der Logik: Struktogramm 1. Schritt: In Register AX die Zahl 3 schreiben 2. Schritt: In Register CX die Zahl 4 schreiben 3. Schritt: Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern In Register AX die Zahl 3 schreiben In Register CX die Zahl 4 schreiben Inhalte von CX und AX addieren und in AX speichern C.O. 44 Darstellung der Logik: Struktogramm, allgemeine Formulierung X := 3 Y := 4 Y := Y + X C.O. 45 Darstellung der Logik: Struktogramm, allgemeine Formulierung X := 3 Y := 4 Y := Y + X Beachte: Die Befehle/Anweisungen sind eindeutig und ausführbar, ihre Anzahl endlich und ihre Befolgung liefert nach endlich vielen Schritten die Lösung eines Problems. C.O. 46 Algorithmus Die Befehle/Anweisungen sind eindeutig und ausführbar, ihre Anzahl endlich und ihre Befolgung liefert nach endlich vielen Schritten die Lösung eines Problems. Trifft dies auf eine Anweisungsliste zu, spricht man von einem Algorithmus. C.O. 47 Ausblick: Höhere Programmiersprache Quellprogramm: a = InputBox("Wert für a:") E b = InputBox("Wert für b:") c = a + b V MsgBox ("Summe: " & c) A C.O. 48
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