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Programmierung: Einführung
Programmausführung im Prozessor
Ein kleines Programm
Quellprogramm – Maschinenprogramm
Struktogramm und Algorithmus
Christoph Oberweis, BBSW Trier
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2
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.
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3
Alles im richtigen Takt!
C.O.
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.
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4
Komponenten der CPU
C.O.
Vereinfachte Darstellung
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5
Komponenten der CPU
Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung
C.O.
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6
Komponenten der CPU
Steuerwerk: interpretiert die Befehle, steuert ihre Ausführung
Register: kleine Spezialspeicher für Zwischenergebnisse und Befehle (schnellster Zugriff)
C.O.
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7
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.
Komponenten der CPU
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8
… 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 stehenDaten und die Programme
C.O.
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9
Eingabe Verarbeitung Ausgabe
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 stehenDaten und die Programme
C.O.
Eingabe
Verarbeitung
Ausgabe
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10C.O.
Abarbeitung eines BefehlsVereinfachte Darstellung
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11
1. Holphase: Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher geholt und in das Befehlsregister geladen werden.
C.O.
Befehlszyklus
1
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12
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.
C.O.
Befehlszyklus
1
2
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13
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.
3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen.
C.O.
Befehlszyklus
1
23
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14
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.
3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen.
4. Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher.
C.O.
Befehlszyklus
1
2
4
3
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15
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.
3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen.
4. Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher.
C.O.
Befehlszyklus
Hinweis: Aus Gründen der Vereinfachung wurde hier der Befehlszähler nicht berücksichtigt!
1
2
4
3
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16
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.
3. Ausführungsphase: Das Rechenwerk wird vom Steuerwerk nun angewiesen, die gewünschte Operation mit den Daten in den Registern durchzuführen.
4. Schreibphase: Das Ergebnis der Operation landet (abhängig vom Befehl) in einem der Register oder im Hauptspeicher.
C.O.Ein Befehlszyklus benötigt i.d.R. also mehrere CPU-Takte, wobei jede Phase
wiederum auch aus mehreren CPU-Takten bestehen kann.
Befehlszyklus
1
2
4
3
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17
Programmiert wird der Zyklus …
C.O.
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18
Programmiert wird der Zyklus …
C.O.
… mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt.
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19
Programmiert wird der Zyklus …
C.O.
… mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt.
• Holphase, • Dekodierphase• Ausführungsphase (Addition) • Schreibphase
Aus
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20
Programmiert wird der Zyklus …
C.O.
… mit einem Befehl als Ganzes, und nicht die einzelne Phase! Die sind nämlich im Prozessor schon festgelegt.
• Holphase, • Dekodierphase• Ausführungsphase (Addition) • Schreibphase
Aus wird der Additionsbefehl
ADD
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21C.O.
Addiert wird also mit ADD
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22C.O.
… aber wo kommen die Daten her???
Addiert wird also mit ADD
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23C.O.
Zur Erinnerung: Die Daten stehen in den Registern, damit das Rechenwerk sie auch nutzen kann:
… aber wo kommen die Daten her???
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24C.O.
AX BX CX DXName der Register
Daten
Zur Erinnerung: Die Daten stehen in den Registern, damit das Rechenwerk sie auch nutzen kann:
Register - kleine schnelle Speicher
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25
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann.
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26
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann.
AX BX CX DX
![Page 27: Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081400/55204d6149795902118b4c20/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
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
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28
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann.
AX BX CX DX
Befehl wurde ausgeführt!
MOV AX, 0003
3
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29
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
Also müssen in die Register Daten eingegeben werden, damit das Rechenwerk auch arbeiten kann.
AX BX CX DX
Und jetzt das CX-Register:
MOV CX, 0004
3
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30
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden!
AX BX CX DX43
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31
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden!
AX BX CX DX43
Der vollständige Additionsbefehl:
ADD AX, CX
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32
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
AX BX CX DX43
Der vollständige Additionsbefehl:
ADD AX, CXAddiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers!
Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden!
![Page 33: Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081400/55204d6149795902118b4c20/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
AX BX CX DX43
Der vollständige Additionsbefehl:
ADD AX, CXAddiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers!
E
V & A
Jetzt stehen die Daten in den Registern: es kann gerechnet werden!
![Page 34: Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081400/55204d6149795902118b4c20/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Auch hier gilt das EVA-Prinzip!
C.O.
AX BX CX DX47
Der vollständige Additionsbefehl:
ADD AX, CXAddiere auf den Inhalt des CX - Registers den Inhalt des CX - Registers!
E
V & A
Und nach der Programmausführung:
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35
Und jetzt das ganze Programm
C.O.
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
![Page 36: Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081400/55204d6149795902118b4c20/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Und jetzt das ganze Programm
C.O.
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, 0003MOV CX, 0004 ADD AX, CX
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37
Jetzt wird getestet
C.O.
![Page 38: Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081400/55204d6149795902118b4c20/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Jetzt wird getestet
C.O.
Prima!
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39
Der Haken:
C.O.
MOV AX, 0003
MOV CX, 0004
ADD AX, CX
Das versteht der Computer nicht!
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40
Die Lösung:
C.O.
MOV AX, 0003 B80300
MOV CX, 0004 B90400
ADD AX, CX 01C8
Es gibt Programme, welche die Assemblerbefehle in die
Maschinensprache übersetzen (z. B. unter DOS: debug).
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41
Vom Quellprogramm zum Maschinenprogramm
C.O.
MOV AX, 0003 B80300
MOV CX, 0004 B90400
ADD AX, CX 01C8
Es gibt Programme, welche die Assemblerbefehle in die
Maschinensprache übersetzen (z. B. unter DOS: debug).
Quellprogramm Maschinen- programm
Übersetzung
![Page 42: Programmierung: Einführung Programmausführung im Prozessor Ein kleines Programm Quellprogramm – Maschinenprogramm Struktogramm und Algorithmus Christoph](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081400/55204d6149795902118b4c20/html5/thumbnails/42.jpg)
42C.O.
So sieht es aus:
C.O.
Adressen Maschinenprg. Assemblerprg.
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43C.O.
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.
Anmerkung
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44
Darstellung der Logik: Struktogramm
C.O.
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
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45
Darstellung der Logik: Struktogramm, allgemeine Formulierung
C.O.
X := 3
Y := 4
Y := Y + X
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46
Darstellung der Logik: Struktogramm, allgemeine Formulierung
C.O.
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.
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47
Algorithmus
C.O.
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.
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.
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48
Ausblick: Höhere Programmiersprache
C.O.
a = InputBox("Wert für a:") b = InputBox("Wert für b:")
c = a + b
MsgBox ("Summe: " & c)
E
VA
Quellprogramm: