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TI-Studium-Mitschriften/Semester 6/COMARCH/Zusammenfassung/Vorlesung 3.md
2025-07-07 19:57:44 +02:00

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📘 Zusammenfassung: V3 Prozessor (Teil 1) Computerarchitektur

🧠 Einführung: CPU-Leistungsfaktoren

  • Instruction Count (IC): Anzahl der Befehle → bestimmt durch ISA & Compiler

  • Cycles Per Instruction (CPI): Anzahl der Takte pro Befehl → bestimmt durch Hardware

  • Cycle Time (CT): Dauer eines Takts → bestimmt durch Hardware

  • CPU-Zeit Formel:

    CPU-Zeit=IC×CPI×CTCPU\text{-Zeit} = IC \times CPI \times CT


🔁 Ablauf der Instruktionsausführung

  1. Fetch: Befehl aus Speicher laden (PC → Instruction Memory)

  2. Decode: Register lesen, Operanden bestimmen

  3. Execute: ALU berechnet Ergebnis oder Adresse

  4. Memory Access: Speicherzugriff bei Load/Store

  5. Write Back: Ergebnis ins Register zurückschreiben

  6. PC Update: PC + 4 oder Sprungadresse


🗂️ MIPS-Befehlssatz (Überblick)

📦 Register

  • 32 Register: z.B. $s0-$s7, $t0-$t9, $zero (immer 0), $sp, $ra

  • Daten müssen in Register geladen werden, bevor ALU-Operationen möglich sind.

🛠️ Befehle (Beispiele)

Kategorie Befehl Beispiel Bedeutung
Arithmetisch add add $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 + $s3
Datentransfer lw, sw lw $s1,20($s2) $s1 = Memory[$s2+20]
Logisch and, or and $s1,$s2,$s3 $s1 = $s2 & $s3
Bedingte Verzweigung beq, bne beq $s1,$s2,Label Sprung, falls $s1 == $s2
Unbedingter Sprung j, jal j Label Sprung zu Adresse Label

🧮 Aufbau der CPU: Datenpfad (Datapath)

🛠️ Bausteine

  • Register: Speicherung von Zwischenwerten

  • ALU (Arithmetic Logic Unit): führt Berechnungen durch

  • Multiplexer (MUX): entscheidet zwischen Eingangsquellen

  • Memory: Instruktions- & Datenspeicher

  • Control Unit: steuert Datenfluss und Operationen

📐 Schrittweise Entwicklung

  • R-Typ Befehle: nur Registeroperationen

  • Load/Store: ALU berechnet Adresse, Speicherzugriff

  • Branch: ALU-Vergleich → PC-Update bei Bedingung


🔄 Taktgesteuerte Logik

  • Kombinatorische Elemente: berechnen Ausgaben ohne Zustände

  • Sequenzielle Elemente (Register): speichern Zustände, aktualisieren mit Taktflanke

  • Clocking Methodology: Längste Verzögerung bestimmt Taktperiode.


🔥 Besonderheiten MIPS

  • Load/Store Architektur: Nur Load/Store greifen auf Speicher zu; alle anderen Befehle arbeiten mit Registern.

  • Einheitliche Befehlslänge (32 Bit): vereinfacht Dekodierung.

  • Pipelining-Fähigkeit: parallele Bearbeitung mehrerer Instruktionen möglich (kommt in Teil 2).


📝 Für die Klausur merken

CPU-Leistungsfaktoren & Formel
MIPS-Befehle (insbesondere lw, sw, add, beq, j)
Unterschied komb. Logik ↔ sequenzielle Logik
Aufbau des Datenpfades & Rolle der einzelnen Elemente
Load/Store-Prinzip (Register-Register-Arithmetik)