2.2 Computerprinzipien

Das "Erfolgsgeheimnis" des Computers liegt darin, daß mit diesem Gerät erstmalig in der Geschichte eine universelle (Rechen-)Maschine geschaffen wurde. D.h. die Hardware eines Computers ist mächtig genug, daß er zusammen mit der beliebig änderbaren Software eine Vielzahl von Aufgaben erledigen kann. Je nach gerade ausgeführtem Programm erscheint der Computer als eine Rechenmaschine für verschiedenste mathematische Aufgabenstellungen, als eine leistungsfähige Schreibmaschine, ein technischer Zeichentisch, eine Datenbank und so weiter. Gleichgültig, welche Maschine momentan in der black box Computer zu stecken scheint, bleibt ein allgemeines Prinzip stets für alle Rechner bestehen: Der Computer benötigt eine Eingabe, reagiert auf diese mit deren Verarbeitung und liefert eine Ausgabe. Beispiele:

Eingabe	Verarbeitung	Ausgabe
laufende Nummer eines Datensatzes	Berechnung eines Zeigers, Dateizugriff	Inhalt des zugehörigen Datensatzes
(3+4) . (7+8)	Zwei Additionen, eine Multiplikation, Verwaltung von Zwischenergebnissen	105
Tastendruck	Holen des Aussehens des Buchstabens aus einer Tabelle, Schreiben in den Bildschirmspeicher	Buchstabe auf Bildschirm

Die Maschinensprache

Diese Universalität des Computers ist möglich, weil er eine festgelegte Menge an - für sich genommen sehr einfachen - Befehlen beherrscht. Die Menge aller möglichen Befehle in ihren möglichen Abwandlungen nennt man die Maschinensprache eines bestimmten Rechners. Jedes Programm besteht (nur) aus diesen Maschinenbefehlen. Wenn ein Computer variabel einsetzbar sein soll, darf ihn die Maschinensprache nicht bereits einschränken.
Das Prinzip Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe begegnet uns in konkretisierter Form als Laden-Verarbeiten-Speichern auch auf der Ebene einzelner Maschinenbefehle. Was diese drei Termini bedeuten, soll im Folgenden geklärt werden. Eines sei aber vorweg gesagt: Von einer höheren Ebene aus gesehen, ist jeder Maschinenbefehl für Laden,Verarbeiten oder Speichern zuständig (auch wenn es Überschneidungen gibt). Dennoch werden aber bei der Ausführung jedes Maschinenbefehls alle drei Phasen durchlaufen.

2.2.1 Laden-Verarbeiten-Speichern

Laden

Trotz der Einleitung müssen wir an dieser Stelle leider etwas weiter ausholen - bis zur Speicherhierarchie (Kapitel 5 wird später auf sie im Detail eingehen):
Wie jeder PC-Besitzer weiß, kann ein Computer nie genug Speicher haben, sei es Hauptspeicher oder Festplattenplatz. Dabei findet aus Kostengründen immer eine Abwägung zwischen Kapazität (Größe) und Geschwindigkeit statt (zumindest bei Festplatten ist halbwegs eine Abhängigkeit zwischen Preis und Geschwindigkeit zu erkennen). Sobald wir uns vom PC-Massenmarkt abwenden, der durch die große Anzahl kostenbewußter Käufer schon sehr am Preis-/Leistungsverhältnis orientiert ist, erkennen wir, daß ein Rechner mit z.B. 2 Gigabyte batteriegepuffertem Hauptspeicher aber ohne Festplatte technisch durchaus möglich wäre. Und warum soll man sich mit heute üblichen DRAMs mit 60 ns Zugriffszeit bescheiden, wo doch jeder die tollen Cache-RAMs mit 15ns und weniger Zugriffszeit kennt, die also mindestens viermal so schnell sind? Die Antwort ist natürlich der Preis - ein so ausgestatteter Computer wäre unglaublich teuer.
Wie erreicht man nun möglichst große Leistung zu einem möglichst kleinen Preis? Die Lösung liegt nicht etwa darin, auf alle schnelleren Speicherarten zu verzichten, und nur die preisgünstigste einzusetzen - käme es nur auf Mark/Megabyte an, würden heutige PCs jedes Bit qualvoll lange auf einem Bandlaufwerk durch Hin- und Herspulen suchen (eine DAT-Cassette für bis zu 8 Gigabyte kostet ca. 10 DM, die zugehörigen Laufwerke wären bei Massennachfrage bald ähnlich billig wie Videorecorder oder CD-Spieler). Es kann auch keine befriedigende Lösung sein, nur einen Speichertyp als Kompromiß zwischen Kosten, Größe und Geschwindigkeit zu wählen - wofür soll man sich auch in unserem Standard-PC entscheiden: Lieber eine Festplatte (100mal größer) oder lieber DRAMs (je nach gemessenem Aspekt 10mal bis 1000.000mal schneller)? Die Lösung, die jeder kennt, lautet natürlich: Von jedem etwas, vom Teureren etwas weniger, vom Billigeren etwas mehr. Im PC heißt das: Auf unserer Festplatte, die praktischerweise die Daten auch nach dem Abschalten bewahrt, lagern vielleicht Hunderte von Programmen, doch die Handvoll davon , die wir gleichzeitig ausführen lassen wollen, passt zusammen in den Hauptspeicher in DRAM-Technologie. Jedes Programm wird vor der Ausführung von der Festplatte in das RAM geschafft und, einmal dort eingetroffen, wesentlich schneller ausgeführt, als es auf einer Magnetplatte alleine möglich wäre. Das RAM wirkt somit als ein "Beschleuniger" für den Speicher namens Festplatte. Das funktioniert, weil wir eben nur einen Teil der Festplattenkapazität zur Zeit benötigen und dieser Teil (hoffentlich) in das RAM paßt . Dennoch müssen wir nicht auf eine große "Lagerkapazität" (auf der gesamten Festplatte) verzichten. Damit haben wir eine erste, zweistufige Speicherhierarchie kennengelernt (in Wirklichkeit hat sie schon im Standard-PC viel mehr Stufen).

Wir definieren also als Speicherhierarchie: Eine Speicherhierarchie besteht aus mindestens zwei Speichern, den sogenannten Stufen. Stufe 1 sei der kleinste und schnellste Speicher von allen, Stufe n sei immer größer und langsamer als Stufe n-1. Alle Stufen sind logisch ineinander geschachtelt, d.h. Stufe n-1 deckt einen Teil der Adressen von Stufe n ab. Ein Rechner versucht sich ein Binärwort zunächst immer von Stufe 1 schicken zu lassen. Ist dieses Wort nicht in Stufe 1 gevorhanden, wird bei Stufe 2 angefragt usw. Kann Stufe n liefern, wird das Binärwort in allen Stufen mit kleineren Nummern abgelegt (weil es wahrscheinlich ist, daß es bald noch einmal benötigt wird); dieses Übertragen eines Binärwortes von Stufe n in eine höhere Stufe (n-1 etc.) ist das Laden aus Laden-Verarbeiten-Speichern. Nichtsdestotrotz spricht man auch bei Binärworttransfer in die umgekehrte Richtung von Laden, also z.B. "das RAM wird mit dem Wert aus Register Nr. 3 geladen".

Typische Stufen der Speicherhierarchie eines mainstream-PCs:

Stufe	typische Größe	relative Geschwindigkeit (lineares Lesen)	DM pro MByte
Register im Hauptprozessor	4 - 32 Stück á 4 Byte	>= 30000	sehr viele
Zwischenspeicher im Hauptprozessor (first level cache)	8 - 32 KByte	ca. 30000	> 1000
Zwischenspeicher in schnellem SRAM (second level cache)	256 KByte	2250	120
Hauptspeicher in DRAM (RAM)	8 - 32 MByte	1500	8
Festplatte	1 - 2 GByte	100 - 200	0,25
Auswechselbarer Speicher, z.B. Disketten, magneto-optische Medien, Magnetbänder	beliebig	1 (HD-Diskette)	< 0,25 (DAT-Band ca. 10-3)

Auf der von uns betrachteten Registertransferebene kommt Laden so vor: Größter/langsamster Speicher ist ein RAM, unter Vorgriff auf das Konzept des Von-Neumann-Rechners (Kapitel 3) sei verraten: Dieser Speicher enthält die Befehle, die zusammen das Programm ergeben, und die Operanden, also die Daten, die das Programm verarbeiten soll.
Warum gibt es hier noch eine höhere Ebene der Speicherhierarchie? Kann das Programm nicht direkt im RAM ausgeführt werden? Die Gründe, warum dies nicht getan wird, sind wieder Kosten und Leistung (Performance) des Rechners:

• Kosten
  Das in Kapitel 2.1.2 vorgestellte RAM würde nicht ausreichen; die meisten ALU-Operationen benötigen zwei Operanden, dann müßte das RAM auch in der Lage sein, zwei Binärwörter gleichzeitig zu liefern. Abhilfe: Mindestens ein Operand wird vor der Berechnung in ein Register geladen; die Stufe 1 umfaßt wenigstens ein solches Register. Ein oder ein paar Register kosten sicherlich weniger als der Mehraufwand für einen zweiten sogenannten Datenpfad im RAM.
  
  
• Performance
  Auf bestimmte Werte wird in Programmen mehrfach zugegriffen; ein Programm, das uns die Zinserträge für unser Sparbuch in den nächsten 20 Jahren berechnen soll, beginnt z.B. mit unserem heutigen Guthaben x als Startwert und multipliziert diesen Wert für jedes Jahr, das "vergeht" mit einem festen Faktor y (entsprechend den Zinsen, die wir bekommen). x ist eine sogenannte Variable, y eine Konstante, und beide werden mehrfach benutzt. Es lohnt sich, den Wert der Variablen x erst aus dem RAM in ein Register zu laden, dort mit dem Wert zu arbeiten und ihn (nach getaner Arbeit) wieder im RAM abzulegen; ebenso lohnt es sich, y in einem Register zu speichern. Siehe hierzu die typischen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Registern und RAM.

Wir können also sagen: Der Einsatz einer Speicherhierarchie ist wirtschaftlich, Laden also notwendig. Wenn wir nun nicht darum herumkommen, wo tritt es dann auf?

• Bei Befehlen: Bevor der Computer den nächsten Maschinensprachebefehl abarbeiten kann, muß erst ein Binärwort aus dem RAM geholt werden, dessen Wert ein Code dafür ist, um welchen Befehl es sich handelt. Bei Rechenbefehlen enthält dieses Befehlswort z.B. auch Angaben zu den Operanden - entweder die Werte selbst oder woher diese zu holen sind. Das Befehlswort wird in einem speziellen Register, dem Befehlsregister gespeichert und bleibt dort während der gesamten Ausführung des Befehles verfügbar. Der Datenbus des RAMs wird damit frei für die Übertragung der Operanden des Befehls.
  
  
• Bei Daten: Moderne Mikroprozessoren verfügen über einige wenige bis hin zu über 100 frei benutzbare Register, um Variablen und Konstanten schnell verfügbar zu haben. Diese Daten müssen natürlich aus dem RAM geladen werden, bevor man sie in einem Register puffern und verwenden kann. Das Konzept des Von-Neumann-Rechners von Ende der 40er Jahre, aus der Frühzeit der Computertechnik also, in der Hardware exorbitant teuer war, zeigt, daß ein Universalrechner neben einem RAM mit einem Datenpfad mit nur drei Registern auskommen kann:
  • Dem gerade erwähnten Befehlsregister,
  • einem Programmzähler, der angibt, von welcher Adresse im RAM das nächste Befehlswort geholt werden wird und
  • dem erwähnten Register zum Rechnen, dem sogenannten Akkumulator.
    
    

Nur für einen reinen Von-Neumann-Rechner ist also folgende Betrachtung uneingeschränkt richtig:

Bei allen Rechenbefehlen mit zwei Operanden kommt ein Operand aus dem RAM, der andere ist der Wert des Akkumulators. Auch das Ergebnis wird immer im Akkumulator abgelegt. Für eine Addition sind somit meistens drei Maschinenbefehle erforderlich ("a := b" bedeutet "a soll den Wert von b annehmen"):

1. "Lade Operand 1 vom RAM in den Akkumulator" (falls wir nicht das Ergebnis des letzten Befehls benutzen sollen)
2. "Akkumulator := (Akkumulator) + (Operand 2 aus RAM)"
3. "Speichere Akkumulator im RAM" (wenn der nächste Befehl nicht unser Ergebnis weiterverwendet)

Daß eine solche "Sparmaschine" nicht besonders effektiv arbeitet, liegt auf der Hand. Jetzt wird außerdem deutlich, daß ein Unterschied zwischen der "Aufgabe" eines Maschinenbefehls und den zu seiner Ausführung notwendigen Schritten besteht:
Der so einfach klingende Befehl "c := a + b" muß im Von-Neumann-Rechner in drei Maschinenbefehle zerlegt werden, einen Ladebefehl, einen Rechenbefehl (Verarbeitungsbefehl) und einen Speicherbefehl.
Jeder der drei Befehle für sich aber durchläuft eine Ladephase (das Befehlswort wird aus dem RAM in das Befehlsregister geholt), um überhaupt ausgeführt werden zu können; der Rechenbefehl tritt danach in die Verarbeitungsphase ein, in der er die ALU zum Addieren benutzt und endet schließlich mit der Speicherphase, in der der Akkumulator seinen neuen Wert bekommt. Bei Lade- und Speicherbefehl kann man sich streiten, ob deren eigentliche Aufgabe (das Übertragen eines Binärwortes vom RAM in ein Register bzw. umgekehrt) zur Verarbeitungs- oder Speicherphase gehört.

Verarbeiten ("Rechnen")

Dies ist die "exekutive" Phase jedes Maschinenbefehls; an ihr können verschiedene Komponenten des Rechners beteiligt sein:

• eine ALU - es wird gerechnet. Jeder Rechner (computer) besitzt mindestens eine ALU, die die vier Grundrechenarten beherrscht. Sehr nützlich in Programmen sind der Inkrement-/Dekrementbefehl (Register := Register + 1 bzw. - 1) sowie logische Operatoren (UND, ODER, exklusiv-ODER, NICHT). Rechenzeit im Vergleich zur Multiplikation läßt sich mit Schiebebefehlen sparen, die die Bits in einem Register um n Schritte nach rechts oder links schieben (Register := Register * 2ⁿ, n ist negativ bei Schieben nach rechts).
  Rechenoperationen können relativ lange dauern, eine Division durchaus 100mal so lange wie eine Addition/Subtraktion. Deswegen kann es lohnen, mehrere ALUs vorzusehen, die parallel rechnen können, wenn der Rest des Computers es schafft, die benötigten Daten schnell genug an und ab zu transportieren.
  Eine ALU ist meistens auf einen bestimmten Typ von Zahlen festgelegt; die häufigsten sind ganze Zahlen (integer) und Dezimalbrüche in halb-logarithmischer Notation (Gleitkomma, floating point). Viele Rechner besitzen je eine ALU für beide Typen. Dabei kann die Gleitkomma-ALU eine getrennte Einheit mit eigenen Registern sein; diese Register werden dann mit speziellen Ladebefehlen beschrieben.
  Die Statusbits, die die ALU erzeugt, sind wichtig für den Ablauf von Programmen - auf unterschiedliche Ergebnisse einer Rechnung kann flexibel reagiert und Fehler können abgefangen werden.
  
  
• Register - Lagerplätze für Daten. Schon bei dem einfachen Von-Neumann-Rechner ist das Register Akkumulator an jeder Rechnung beteiligt (als Operand und zur Aufnahme des Ergebnisses). Fortgeschrittenere Architekturen wie RISC erlauben vielseitige Befehle der Art
  
  Register_Nr._7 := (Register_Nr._3) * (Register_Nr._4) + 1969
  
  an denen also bis zu drei Register beteiligt sein können.
  
  

• keine - es wird gewartet. Wohl jede Maschinensprache kennt einen Befehl, der nichts tut. Dennoch kostet die Ausführung dieses Befehls Zeit, denn es muß ja mindestens sein Befehlswort aus dem RAM in das Befehlsregister geladen werden. Wenn man weiß, wie lange der Befehl für sein Nichtstun braucht, kann man ihn zum Warten auf Ereignisse, z.B. einen Tastendruck des Computer-Benutzers, einsetzen. Man beachte, daß diese Art des Wartens aus zweierlei Gründen unelegant ist: Erstens ist nicht gewährleistet, daß der Wartebefehl für alle Zeiten die selbe Zeit benötigen wird - die Geschichte der Prozessorentwicklung hat gezeigt, daß regelmäßig neue Prozessoren erscheinen, die zwar die Maschinensprache ihrer Vorgänger verstehen, also die selben Programme ohne Modifikationen ausführen können (die sogenannte Abwärtskompatibilität), aber in Hinsicht auf Geschwindigkeit verbessert wurden. So manches PC-Programm von Anfang der 80er Jahre lief schon wenige Jahre nach seinem Erscheinen um Größenordnungen zu schnell.
  Zweitens belegt ein Programm, das auf etwas warten will, durch aktionslose Befehle den Prozessor nur unnötig mit Beschlag. Besser wäre es, wenn dem Programmierer ein Befehl der Art "Warte für 100 ms" (als Hard- oder Softwarelösung) zur Verfügung steht. In der Zwischenzeit könnte der Prozessor in einen Stromsparmodus gehen oder für andere, quasi-parallel ablaufende Programme (Multitasking) zur Verfügung stehen.
  
  
• keine - es wird geladen oder gespeichert. Betrachten wir noch einmal die typische Befehlsfolge für die Addition bei dem Von-Neumann-Rechner:

1. "Lade Operand 1 vom RAM in den Akkumulator"
2. "Akkumulator := (Akkumulator) + (Operand 2 aus RAM)"
3. "Speichere Akkumulator im RAM"

Bei den Befehlen 1 und 3 findet eine Verarbeitung der bewegten Binärwörter nur durch die Identitätsfunktion statt; sie gehören zur Klasse der Lade- und Speicherbefehle, die Daten nur in Raum (Kopieren) und Zeit (Speichern im Sinne von Aufbewahren) bewegen, aber nicht verändern und deswegen in der Verarbeitungsphase keine Register oder RAMs benötigen, um Operanden zu liefern.

Speichern

Wir haben bereits gesehen, daß es Klassen von Maschinenbefehlen gibt, zu denen auch die Lade-/Speicherbefehle gehören. Aufgabe eines Ladebefehls ist es, ein Binärwort von Stufe n zu Stufe n-1 zu übertragen, ein Speicherbefehl kopiert dementsprechend von Stufe n-1 nach Stufe n (das Wort wird im langsameren, aber größeren, bei Festplatten/Disketten/Bändern auch sichereren, Speicher einer niedrigeren Stufe quasi eingelagert).

Aber auch beim Transfer von Stufe n zu Stufe n oder n-1 spricht man von Speichern. Dies kann der Fall sein, wenn ein Maschinenbefehl (nicht unbedingt ein Speicherbefehl!) in seine Speicherphase eintritt. Ein Additionsbefehl hat bis dahin z.B. bereits eine ALU mit zwei Operanden versorgt und ihr den Befehl zum Berechnen der richtigen Funktion gegeben, das Ergebnis der Berechnung steht in der ALU bereit. Da die ALU meistens keine Werte speichern kann, muß das Wort nun irgendwo abgelegt werden, beim Von-Neumann-Rechner z.B. zwingenderweise im Akkumulator. Dies ist die Aufgabe der Speicherphase. Man beachte, daß in diesem Fall die Daten auf Stufe 1 bleiben.

Um dieser Verwirrung Herr zu werden wird die Speicherphase oft in weitere Phasen unterteilt: In einer Phase wird nur das RAM ausgelesen oder beschrieben, eine andere dient nur zum Sichern von Ergebnissen in Registern.

Carsten Kelling 1996 (); letzte Änderung: 17. September 1997