Mikroprozessor: Das »Gehirn« des Computers

Mikroprozessor: Das »Gehirn« des Computers

 

Wenn man von einem Mikroprozessor spricht, denkt man fast immer an einen Computer. Heutzutage werden Mikroprozessoren aber in vielen elektronischen Geräten für Rechen- und Steuerungsaufgaben eingesetzt. Ein Mikroprozessor enthält auf einem hochintegrierten Halbleiterbaustein einen Prozessor, der für die Abarbeitung der Befehle zuständig ist. Die Hauptaufgaben des Prozessors werden zum einen von einem Rechenwerk und zum anderen von einem Leitwerk erledigt. Die Kombination des Mikroprozessors mit anderen Werken bildet die Grundlage eines Mikrocomputers. Die Organisation eines Mikrocomputers wird von vier Hauptwerken bestimmt: dem Hauptspeicher für Programme und Daten, dem Steuerwerk, welches das Programm interpretiert, dem Rechenwerk, das die arithmetischen und logischen Operationen ausführt, und dem Ein-/Ausgabewerk, das für die Kommunikation mit der Außenwelt zuständig ist.

 

 Rechenwerk

 

Das Rechenwerk (englisch execution unit) besteht aus mindestens einer arithmetischen und einer logischen Einheit (ALU, englisch arithmetic logic unit), die für die Abarbeitung der Rechenoperationen zuständig sind. Diese Rechenoperationen sind Maschinenbefehle, die von speziellen Programmen (Compiler, Linker) bei der Programmerstellung durch Softwareentwickler erstellt werden. Der Prozessor versteht nur diese einfachen Befehle. Zu den Operationen, die das Rechenwerk ausführt, gehören neben den arithmetischen Operationen (Additionen, Subtraktionen, Multiplikationen etc.) auch logische Funktionen (Konjunktionen, Disjunktionen, Negationen etc.). Des Weiteren werden auch Verschiebe- und Vergleichsoperationen abgearbeitet. Um die verschiedenen Operanden und Ergebnisse aufnehmen zu können, umfasst das Rechenwerk verschiedene Speicherzellen in Form von speziellen Registern.

 

 Steuerwerk

 

Das Steuer- oder Leitwerk (englisch control unit) steuert die verschiedenen Komponenten eines Mikrocomputers und ist insbesondere für die Interpretation und die sequenzielle (nacheinander) Abarbeitung der Maschinenbefehle zuständig. Die Aufgabe des Leitwerkes wird im Wesentlichen durch drei Register charakterisiert. Da ist zunächst der Befehlszähler (englisch program counter), der die Adresse des nächsten abzuarbeitenden Maschinenbefehls enthält. Das zweite Register ist das Befehlsregister (englisch instruction register), das den gerade auszuführenden Befehl enthält. Als letztes Register ist das Statusregister zu nennen, das Rückmeldungen von allen Teilwerken des Mikroprozessors entgegennehmen kann und somit Einfluss auf die Abarbeitung der Maschinenbefehle nimmt. Bei Fehlern (z.B. Division durch null) wird die normale Abarbeitung, d. h. das laufende Programm, unterbrochen und stattdessen in ein Ausnahmebehandlungsprogramm (englisch interrupt routine) gesprungen. Dafür ist das Unterbrechungswerk (englisch interrupt control unit) verantwortlich. In Abhängigkeit von Bedingungswünschen (z. B. ein Fehler) wird ein entsprechendes Signal im Statusregister gesetzt, welches dann mit dem Prozessortakt synchronisiert wird und zur Unterbrechung des Programms führt.

 

 Maschinenbefehlszyklus

 

Die Verarbeitung eines Maschinenbefehls wird durch den Maschinenbefehlszyklus geregelt. Dieser beschreibt die folgenden sechs Arbeitsphasen: Befehlsholphase (holt den nächsten Maschinenbefehl ins Befehlsregister des Leitwerkes), Decodierungsphase (interpretiert den Befehl), Operandenholphase (stellt Operanden für den Befehl zur Verfügung), Ausführungsphase (führt die Operation aus), Rückschreibphase (schreibt die Ergebnisse in den Speicher zurück) und die Adressierungsphase (schaltet den Befehlszähler entsprechend der Abarbeitungsreihenfolge auf den nächsten Befehl).

 

 Weitere Hauptwerke

 

Im Hauptspeicher werden das Programm und die dazugehörigen Daten abgelegt. Eine Aufgabe des Leitwerks ist es, die Adressierung des Hauptspeichers zu unterstützen. Die Hauptarbeit wird allerdings von dem Speicheransteuerungswerk (MMU, englisch memory management unit) erledigt. Der Hauptspeicher ist in viele Teile unterteilt (Segmente). Damit auf Daten und Befehle schneller zugegriffen werden kann, stellt das Speicheransteuerungswerk Tabellen zur Verfügung, die bei der Adressumsetzung der Segmentadressierung helfen. Um die Abarbeitung der Befehle weiter zu beschleunigen, existieren noch Spezialspeicher und Caches (Zwischenspeicher), die logisch zwischen Hauptspeicher und Prozessor liegen. In ihnen werden Befehle zwischengespeichert, die als nächstes abgearbeitet werden sollen.

 

Die Ein-/Ausgabewerke (englisch control units) steuern die Kommunikation zwischen Speichern und Peripheriegeräten (z.B. Tastatur, Maus, Monitor und Drucker).