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Die Geschichte des Computers. Axel Bruns
Читать онлайн.Название Die Geschichte des Computers
Год выпуска 0
isbn 9783738021455
Автор произведения Axel Bruns
Жанр Математика
Издательство Bookwire
Nur etwa 5 % werden in PCs, Workstations oder Servern eingesetzt.In den 1930er Jahren bestand das Rechenwerk eines Computers zunächst aus Relais und mechanischen Bauelementen, z. B. bei der Zuse Z3. Diese ersten Computer waren also elektromechanische Rechner, die langsam und äußerst störanfällig waren. Noch in den 1940ern begann man damit, Computer mit Hilfe von Elektronenröhren zu bauen, wie den ENIAC. Damit wurden die Rechner schneller und weniger störanfällig. Waren diese Rechner anfangs teure Einzelprojekte, so reifte die Technik im Laufe der 1950er Jahre immer mehr aus. Röhrencomputer wurden nach und nach zu Artikeln der Serienfertigung, die für Universitäten, Forschungseinrichtungen und Firmen durchaus erschwinglich waren. Um dieses Ziel zu erreichen, war es notwendig, die Anzahl der benötigten Röhren auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Aus diesem Grund setzte man Röhren nur dort ein, wo sie unabdingbar waren.
So begann man damit, Hauptspeicher und CPU-Register auf einer Magnettrommel unterzubringen, Rechenoperationen seriell auszuführen und die Ablaufsteuerung mit Hilfe einer Diodenmatrix zu realisieren. Ein typischer Vertreter dieser Rechnergeneration war der LGP-30.In den 1950er Jahren wurden die unzuverlässigen Elektronenröhren von Transistoren verdrängt, die zudem den Stromverbrauch der Computer senkten. Anfangs wurden die Prozessoren aus einzelnen Transistoren aufgebaut. Im Laufe der Jahre brachte man aber immer mehr Transistorfunktionen auf integrierten Schaltkreisen (ICs) unter. Waren es zunächst nur einzelne Gatter, integrierte man immer häufiger auch ganze Register und Funktionseinheiten wie Addierer und Zähler, schließlich dann sogar Registerbänke und Rechenwerke auf einem Chip. Der Hauptprozessor konnte in einem einzelnen Schaltschrank untergebracht werden, was zum Begriff Mainframe, also „Hauptrahmen“, bzw. „Hauptschrank“ führte. Dies war die Zeit der Minicomputer, die nun keinen ganzen Saal mehr ausfüllten, sondern nur noch ein Zimmer. Die zunehmende Integration von immer mehr Transistor- und Gatterfunktionen auf einem Chip und die stetige Verkleinerung der Transistorabmaße führte dann Anfang der 1970er Jahre fast zwangsläufig zu der Integration aller Funktionen eines Prozessors auf einem Chip, dem Mikroprozessor.
Anfangs noch wegen ihrer vergleichsweise geringen Leistungsfähigkeit belächelt (der Legende nach soll ein IBM-Ingenieur über den ersten Mikroprozessor gesagt haben: „Nett, aber wozu soll das gut sein?“), haben Mikroprozessoren heute alle vorangegangenen Techniken für den Aufbau eines Hauptprozessors abgelöst.Dieser Trend setzte sich auch in den nachfolgenden Jahrzehnten fort. So wurde Ende der 1980er Jahre der mathematische Coprozessor und Ende der 2000er Jahre auch der Grafikprozessor in den (Haupt-)Prozessor integriert, vgl. APU.Ein Prozessor(kern) besteht aus Registern, einem Rechenwerk (der Arithmetic Logic Unit, kurz ALU), einem Steuerwerk sowie den Datenleitungen (Busse), die die Kommunikation mit anderen Komponenten ermöglichen (Abbildung siehe weiter unten). Diese Komponenten sind im Allgemeinen weiter unterteilbar, zum Beispiel enthält das Steuerwerk zur effizienteren Bearbeitung von Befehlen die Befehls-Pipeline mit meist mehrere Stufen, unter anderem dem Befehlsdecoder; die ALU enthält unter anderem zum Beispiel Vergleicher und Hardwaremultiplizierer.
Darüber hinaus befinden sich vor allem in modernen Mikroprozessoren mitunter sehr viel feiner unterteilte Einheiten, die flexibel einsetzbar/zuteilbar sind sowie mehrfach ausgeführte Einheiten, die das gleichzeitige Abarbeiten mehrerer Befehle erlauben (siehe zum Beispiel Hyper-Threading, Out-of-order execution).Oft ist in heutigen Prozessoren die Memory Management Unit sowie ein (evtl. mehrstufiger) Cache integriert. Mitunter ist auch eine I/O-Unit integriert, oft zumindest ein Interrupt-Controller.Zusätzlich finden sich auch häufig spezialisierte Recheneinheiten z. B. eine Gleitkommaeinheit, eine Einheit für Vektorfunktionen oder für Signalverarbeitung. Unter diesem Aspekt sind die Übergänge zu Mikrocontrollern oder einem System-on-a-Chip, die weitere Komponenten eines Rechnersystems in einem integrierten Schaltkreis vereinen, mitunter fließend.Das Steuerwerk, auch Leitwerk genannt, kontrolliert die Ausführung der Anweisungen. Es sorgt dafür, dass der Maschinenbefehl im Befehlsregister vom Befehlsdecoder dekodiert und vom Rechenwerk und den übrigen Komponenten der Rechenanlage ausgeführt wird. Dazu übersetzt der Befehlsdecoder binäre Maschinenbefehle mit Hilfe der Befehlstabelle (englisch instruction table) in entsprechende Anweisungen (Microcode), welche die für die Ausführung des Befehls benötigten Schaltungen aktivieren.
Dabei werden drei wesentliche Register, das heißt sehr schnell ansprechbare prozessorinterne Speicher, benötigt:
Das Befehlsregister (englisch instruction register): Es enthält den aktuell auszuführenden Maschinenbefehl.
Der Befehlszähler (englisch program counter): Dieses Register zeigt bei der Befehlsausführung auf den nächstfolgenden Befehl. (Ein Sprungbefehl lädt die Adresse seines Sprungziels hierher.) Das Statusregister: Es zeigt über sogenannte Flags den Status an, der von anderen Teilen der Rechnenanlage, u. a. dem Rechen- und dem Leitwerk bei der Ausführung bestimmter Befehle erzeugt wird, um ihn in nachfolgenden Befehlen auswerten zu können.
Beispiel: Ergebnis einer arithmetischen oder einer Vergleichsoperation ergibt ‚Null‘, ‚Minus‘ o. ä., ein Übertrag (Carry) ist bei einer Rechenoperation zu berücksichtigen.In RISC-Prozessoren ist mitunter kein Befehlsdekoder notwendig – in manchen RISC-Prozessoren verschalten die Befehls-Bits die entsprechenden ALU- und Register-Einheiten direkt. Dort gibt es dann auch keinen Microcode.Ebenso kann ein explizites Befehlregister durch eine Pipeline ersetzt sein. Mitunter sind mehrere Befehle gleichzeitig in Bearbeitung, dann kann auch die Reihenfolge ihrer Abarbeitung umsortiert werden (Out-of-order execution).Das Rechenwerk führt die Elementaroperationen eines Prozessors durch. Es besteht zum einen aus der arithmetisch-logische Einheit (ALU) zum anderen aus den Arbeitsregistern. Es kann sowohl arithmetische (etwa die Addition zweier Zahlen) als auch logische (etwa AND oder OR) Operationen ausführen. Aufgrund der Komplexität moderner Prozessoren, bei denen meist mehrere Rechenwerke mit spezialisierten Funktionen vorhanden sind, spricht man auch allgemein vom Operationswerk.Die Arbeitsregister können Daten (als Datenregister) und, abhängig vom Prozessortyp, auch Adressen (als Adressregister) aufnehmen. Meist können nur mit den Werten in den Registern Operationen direkt ausgeführt werden. Sie stellen daher die erste Stufe der Speicherhierarchie dar. Von den Eigenschaften und insbesondere der Größe und Anzahl der Register (abhängig vom Prozessortyp) hängt u. a. die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Prozessors ab.Ein spezielles Adressregister ist der Stapelzeiger (Stackpointer), der die Rücksprungadresse bei einem Unterprogrammaufruf aufnimmt. Auf dem Stack werden dann zusätzlich oft Registerkopien gesichert und neue, lokale Variablen angelegt.Über verschiedene Busse (Signalleitungen) ist der Prozessor mit anderen Komponenten verbunden.
Über den Datenbus werden Daten mit dem Arbeitsspeicher ausgetauscht, etwa die Informationen für die Arbeitsregister und das Befehlsregister. Je nach verwendeter Prozessorarchitektur hat ein Hauptprozessor (eine CPU) einen einzigen Bus für Daten aus dem Arbeitsspeicher (Von-Neumann-Architektur) oder mehrere (meist zwei) separate Datenleitungen für den Programmcode und normale Daten (Harvard-Architektur). Der Adressbus dient zur Übertragung von Speicheradressen. Dabei wird jeweils eine Speicherzelle des RAM adressiert (ausgewählt) in die – je nach Signal des Steuerbusses – die Daten, die gerade auf dem Datenbus liegen, geschrieben oder aus denen die Daten gelesen, d. h. auf den Datenbus gelegt, werden.
Mit dem Steuerbus (Kontrollbus) steuert der Prozessor u. a., ob Daten gerade geschrieben oder gelesen werden sollen, ob er einem anderen Bus-Master im Rahmen eines Speicherdirektzugriffs (DMA) den Bus überlässt, oder der Adressbus statt des RAMs einen Peripherie-Anschluss meint (beim Isolated I/O). Eingangsleitungen lösen beispielsweise einen Reset oder Interrupts aus, versorgen ihn mit einem Taktsignal oder empfangen eine „Bus-Anforderung“ von einem DMA-Gerät.Zwischen die Datenleitungen und das Registerwerk ist als Teil des Steuerwerks das sogenannte Bus-Interface geschaltet, das die Zugriffe steuert und bei gleichzeitigen Anforderungen verschiedener Untereinheiten eine Priorisierung vornimmt.Moderne Prozessoren, die in PCs oder anderen Geräten eingesetzt werden, die eine schnelle Datenverarbeitung benötigen, sind mit sogenannten Caches ausgestattet. Caches sind Zwischenspeicher, die die zuletzt verarbeiteten Daten und Befehle zwischenspeichern und so die rasche Wiederverwendung ermöglichen. Sie stellen die