Steuerwerk / Leitwerk

Eines der Bestandteile der CPU ist das Steuerwerk:


Definition: Steuerwerk

Definition

Das Steuerwerk (oder Leitwerk) ist ein Bestandteil der CPU und für die sequentielle Abarbeitung des im Speicherwerk befindlichen Programms zuständig.

Damit ist sofort ersichtlich, dass eine Verbindung zwischen Steuerwerk und Speicherwerk existieren muss, damit das abzuarbeitende Programm, bzw. dessen einzelnen Anweisungen, vom Speicherwerk in das Steuerwerk übertragen werden können.


Definition: Arbeitsweise des Steuerwerks

Definition

Das Steuerwerk sendet die Adresse des aktuellen Befehls an das Speicherwerk und erhält von diesem als Antwort genau jenen Befehl, der an der übermittelten Adresse innerhalb des Speicherwerks steht. Sobald das Steuerwerk den Befehl erhalten hat, wird dieser ausgeführt.


Einfache Sicht auf die Arbeitsweise des Steuerwerks

Es ergibt sich damit für die Arbeitsweise des Steuerwerks ein Kreislauf, der immer wieder durchlaufen wird:

Steuerwerk01.jpg

Diese Darstellung ist leicht verständlich, stellt aber auch nur eine erste vereinfachte Sicht auf die Arbeitsweise dar.


Bestandteile der CPU

Aus der einfachen Sicht der Arbeitsweise des Steuerwerks lassen sich einige Bestandteile der CPU ableiten:

  • Damit die Adresse des aktuellen Befehls vom Steuerwerk verwaltet werden kann, muss es einen Speicherbereich dafür geben. Verwendet wird dazu ein Register, der sogenannte Befehlszähler, engl. Program Counter, kurz: PC.
  • Damit der vom Speicherwerk empfangene Befehl verwaltet werden kann, muss es einen Speicherbereich dafür geben. Verwendet wird dazu ein Register, das sogenannte Befehlsregister, engl. Instruction Register, kurz: IR.
  • Die Adresse des aktuellen Befehls kann über das vorhandene Bus-System an das Speicherwerk gesendet werden. Eine Verbindung der Register PC sowie IR mit dem Bus-System muss daher gegeben sein.


Erweitertes Bild der CPU

Man erhält ein leicht erweitertes Bild der CPU:

Cpu2.jpg


Zusammenspiel PC, IR und Bus

Das folgende Video geht näher auf das Zusammenspiel von Befehlszähler (PC) und Befehlsregister (IR) mit dem Bus-System ein. Die Fachbegriffe Adressbus und Datenbus werden eingeführt und erläutert.

Video.png
Video


Zu den Erläuterungen im Video folgen hier noch einige Definitionen.


Definition: (Paralleler) Bus

Definition

Ein Bus (Binary Unit System) dient zur parallelen Übertragung einer Gruppe von Bits.

Hinweis: Es wird hier ausdrücklich ein "paralleler Bus" definiert. Gleichzeitig sei darauf hingewiesen, dass auch "serielle Busse" existieren, die zum jetzigen Zeitpunkt in diesem Modul aber (noch) keine Rolle spielen.

Es können mehrere Komponenten an einem Bus angeschlossen sein, so dass sich Quelle und Ziel der übertragenen Bits benennen lassen.


Definition: Busbreite

Definition

Die Anzahl der parallel übertragbaren Bits auf einem Bus nennt man die Breite des Busses oder Busbreite.

Übliche Busbreiten in Vergangenheit und Gegenwart waren bzw. sind 4, 8, 16, 32 oder 64 Bit.


Definition: Schreibender Zugriff auf einen Bus (Senden)

Definition

Ein schreibender Zugriff auf einen Bus liegt vor, wenn eine an diesem Bus angeschlossene Komponente eine Gruppe von Bits zur Übertragung auf den Bus gibt. Man spricht dann auch vom Senden von Informationen über den Bus.

Nur eine einzige am Bus angeschlossene Komponente darf zur gleichen Zeit schreibend auf den Bus zugreifen.


Definition: Lesender Zugriff auf einen Bus (Empfangen)

Definition

Ein lesender Zugriff auf einen Bus liegt vor, wenn eine an diesem Bus angeschlossene Komponente eine Gruppe von Bits vom Bus entgegennimmt. Man spricht dann auch vom Empfangen von Informationen über den Bus.

Es können beliebig viele Komponenten zur gleichen Zeit Informationen über den Bus empfangen.


Definition: Kollision auf einem Bus

Definition

Eine Kollision auf einem Bus liegt vor, falls zur gleichen Zeit mehrere Komponenten schreibend auf den Bus zugreifen.

Beim Betreiben eines Busses ist also sicher zu stellen, dass immer nur eine Komponente zur Zeit schreibend auf den Bus zugreift. Falls einmal mehr als nur eine Komponente zur gleichen Zeit auf den Bus schreibt, so werden aufgrund der physikalischen Gesetze die übertragenen Bits unbrauchbar, d.h. sie können von den lesenden Komponenten am Bus nicht mehr verlässlich empfangen werden. Die übertragenen Informationen gehen verloren. (Siehe hierzu auch das Video im Abschnitt Von-Neumann-Flaschenhals).


Definition: Adressbus

Definition

Ein Adressbus ist ein Bus, bei dem die parallel übertragene Gruppe von Bits als Adresse zu interpretieren ist.


Definition: Datenbus

Definition

Ein Datenbus ist ein Bus, bei dem die parallel übertragene Gruppe von Bits als Daten zu interpretieren ist.


Detailliertere Sicht auf die Arbeitsweise des Steuerwerks

Im folgenden Video wird die Arbeitsweise des Steuerwerks etwas detaillierter aufgeschlüsselt und erläutert.

Video.png
Video


Die im Video erarbeitete detailliertere Sicht auf die Arbeitsweise des Steuerwerks sieht damit so aus:

Steuerwerk02.jpg


Und der aktuelle Stand bei der Erläuterung von CPU und insbesondere dem Steuerwerk ist:

Cpu3.jpg