Axel Bruns - Die Geschichte des Computers

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 zweite Stufe der Speicherhierarchie dar. Normalerweise besitzt ein Prozessor heutzutage bis zu dreistufige Caches:

Level-1-Cache (L1-Cache): Dieser Cache läuft mit dem Prozessortakt. Er ist sehr klein (etwa 4 bis 256 Kilobyte), dafür aufgrund seiner Position im Prozessorkern selbst sehr schnell abrufbar.

Level-2-Cache (L2-Cache): Der L2-Cache befindet sich meist im Prozessor, aber nicht im Kern selbst. Er umfasst zwischen 64 Kilobyte und 12 Megabyte.

Level-3-Cache (L3-Cache): Bei Mehrkernprozessoren teilen sich die einzelnen Kerne den L3-Cache.

Er ist der langsamste der drei Caches, aber auch der größte (bis zu 256 Megabyte).Um die Rollen der Untereinheiten konkreter zu veranschaulichen, hier der Ablauf der Verarbeitung eines einzelnen Maschinenbefehls. Die aufgeführten Einzelschritte können teilweise gleichzeitig oder überlappend ablaufen, die Nummerierung hat nichts mit der Anzahl der Taktzyklen zu tun, die der Befehl benötigt. Zusätzliche Feinheiten wie Prozessor-Pipelines oder Sprungvorhersage (Branch Prediction) führen zu weiteren Timing-Finessen, die hier im Sinne der Vereinfachung vorerst weggelassen werden. Aus dem gleichen Grund sind komplexe Berechnungen abhängig von der gewählten Adressierungsart zur Ermittlung einer endgültigen Speicheradresse nicht erwähnt.

Der Befehlszähler wird auf die nächste Adresse weitergezählt. Der Inhalt wird vom Steuerwerk über das Bus-Interface auf den Adressbus gelegt, ein Leseimpuls wird signalisiert. Nach der Verzögerung durch die endliche Zugriffszeit des RAMs liegt an den Datenleitungen der Inhalt dieser Speicherzelle an. Das Steuerwerk kopiert diese Daten über das Bus-Interface in das Befehlsregister. Der Befehl wird vor-decodiert, ob er komplett geladen ist Wenn es ein Befehl ist, der aus mehreren Bytes besteht, werden sie (falls das durch eine größere Busbreite nicht schon geschehen ist) durch Wiederholung der Schritte 1 bis 3 aus dem Speicher geholt und in die zuständigen Prozessorregister kopiert. Gehört zum Befehl auch das Auslesen einer Speicherzelle des RAMs, wird vom Steuerwerk die Adresse für diese Daten auf die Adressleitungen gelegt, ein Leseimpuls wird signalisiert. Danach muss genügend lange Zeit gewartet werden, dass das RAM diese Informationen sicher bereitstellen konnte. Anschließend wird der Datenbus ausgelesen und in das zuständige Prozessorregister kopiert.

Der Befehl wird fertig-dekodiert und die zu seiner Abarbeitung benötigten Untereinheiten aktiviert, die internen Datenpfade werden entsprechend geschaltet. Das Rechenwerk erledigt die eigentliche Verarbeitung innerhalb des Prozessors, beispielsweise die Addition zweier Registerinhalte. Das Ergebnis landet wieder in einem der Prozessorregister. Wenn der Befehl ein Sprung- oder Verzweigungsbefehl ist, wird das Ergebnis nicht in einem Datenregister abgelegt, sondern im Befehlszähler. Das Steuerwerk aktualisiert je nach Ergebniswert ggf. das Statusregister mit seinen Zustandsflags. Gehört zum Befehl auch das Rückspeichern eines Ergebnisses/Registerinhalts in das RAM, wird vom Steuerwerk die Adresse für diese Daten auf die Adressleitungen gelegt und der Dateninhalt auf die Datenleitungen, ein Schreibimpuls wird signalisiert. Danach muss genügend lange Zeit gewartet werden, dass das RAM diese Informationen sicher aufnehmen konnte. Der Befehl ist jetzt abgearbeitet, und es kann oben bei Schritt 1 zum nächsten Befehl weitergeschritten werden.Die beiden wesentlichen Grundarchitekturen für CPUs sind die Von-Neumann- und die Harvard-Architektur. Bei der nach dem Mathematiker

John von Neumann benannten Von-Neumann-Architektur gibt es keine Trennung zwischen dem Speicher für Daten und Programmcode. Dagegen sind bei der Harvard-Architektur Daten und Programm(e) in strikt voneinander getrennten Speicher- und Adressräumen abgelegt, auf die typischerweise durch zwei separierte Bussysteme parallel zugegriffen wird.Beide Architekturen haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Die Von-Neumann-Architektur ist einfacher, da Programmcode und Daten grundsätzlich identisch behandelt werden. Hierdurch sind einheitliche Betriebssystem-Routinen zum Laden und Speichern verwendbar. Auch kann sich der Programmcode im Gegensatz zur Harvard-Architektur selbst modifizieren, wodurch Maschinencode z. B. per Debugger leicht bearbeitbar und modifizierbar ist. Nachteile/Risiken dieser ‚Selbstmodifikation‘ liegen im Bereich der Softwareergonomie und -Stabilität, zum Beispiel können Laufzeitfehler wie Pufferüberlauf mit höherer Wahrscheinlichkeit auftreten.Durch die Trennung in zwei physikalische Speicher und Busse hat die Harvard-Architektur potenziell eine höhere Leistungsfähigkeit, da Daten- und Programmzugriffe parallel erfolgen können.

Jedoch müssen Race Conditions bei solchen parallelen Zugriffen, die zu einem nicht-deterministischen Programmverhalten führen können, ausgeschlossen werden. Bei einer Harvard-Architektur sind durch die physische Trennung von Daten und Programm einfach eine Zugriffsrechtetrennung und Speicherschutz realisierbar. Um z. B. zu verhindern, dass bei Softwarefehlern Programmcode überschrieben werden kann, wurde (vor allem historisch) für Programmcode ein im Betrieb nur lesbarer Speicher (z. B. ROM, Lochkarten) verwendet, für die Daten dagegen schreib- und lesbarer Speicher (z. B. RAM, Ringkernspeicher).Praktisch alle modernen CPUs stellen sich aus Programmsicht als Von-Neumann-Architektur dar, ihr interner Aufbau entspricht aber aus Leistungsgründen in vielen Aspekten eher einer parallelen Harvard-Architektur. So ist es nicht unüblich, dass eine CPU intern mehrere unabhängige Datenpfade (insbesondere beim L1-Cache) und Cachehierarchiestufen besitzt, um mit möglichst vielen parallelen Datenpfaden eine hohe Leistung zu erzielen. Die dadurch potenziell möglichen Daten-Inkohärenzen und Zugriffs-Race-Conditions werden intern durch aufwändige Datenprotokolle und -management verhindert.Auch werden heutzutage Arbeitsspeicher-Bereiche, die ausschließlich Daten beinhalten, als nicht ausführbar markiert, sodass Exploits, die ausführbaren Code in Datenbereichen ablegen, diesen nicht ausführen können. Umgekehrt kann das Schreiben in Bereiche mit Programmcode verweigert werden (Pufferüberlauf-Exploits).Der Befehlssatz bezeichnet die Gesamtheit der Maschinenbefehle eines Prozessors.