on 23-Dec-2023 (Sat)

Befehlssatz als das Element einer Rechnerarchitektur

Der Befehlssatz ist eine Spezifikation, die die Funktion einer Rechenmaschine aus Sicht des Programmierers definiert. Umgekehrt legt der Befehlssatz fest, wie ein Programmierer seine Programme schreiben muss, damit die Maschine die gewünschte Funktion ausführt. Der Befehlssatz oder besser seine Beschreibung stellt somit eine Art Handbuch eines Computers dar.

Definition 6.0.3 – Befehlssatz Der Befehlssatz einer Maschine ist die Menge aller Befehle und der dazugehörigen Befehlsworte. Er ist die Schnittstelle zwischen dem Programm (der Software) und dem Rechner (der Hardware).

Damit ist das Programm die Implementierung eines Algorithmus auf einer speziellen Maschine[2]. Im Folgenden werden zu- nächst die verschiedenen Architekturen des Befehlssatzes diskutiert. Die Anbindung des Speichers ist Thema des zweiten Kapitels. Am Ende beschreiben wir, wie die Struktur eines Rechners im Allgemeinen aufgebaut ist. Mit den Prinzipien der Mikroarchitektur genannten Rechnerstruktur lassen sich dann beliebige Befehlssätze implementieren.

2 Im ursprünglichen Sinne der Rechnerarchitektur für eine Familie oder Klasse von Computern mit dem gleichen Befehlssatz.

6.1.1 Befehl und Programm

Jeder Einzelschritt des Algorithmus muss festgelegt werden. Dies geschieht mit einem Befehl. Ein Befehl ist eine Anweisung, die bestimmte Aktionen in der Hardware eines Computers auslöst, und eine Spezifikation, wo die Maschine die Argumente dieser Anweisung finden kann. Das Programmieren eines Computers ist somit das Finden einer sinnvollen Reihefolge von Befehlen, um gezielt einen bestimmten Algorithmus zu implementieren.

Definition 6.1.1 – Befehl und Programm Ein Programm ist eine Folge von Anweisungen, den Befehlen. Jeder Befehl gliedert sich in eine Operation und den zu der Operation gehörenden Operanden.

Befehlszyklus

Bevor ein Befehl ausgeführt werden kann, ist er aus dem Speicher zu holen. Das immer wiederkehrende Holen und Ausführen eines Befehls und somit der Rhythmus der Befehlsausführung heißt Befehlszyklus. Ein solcher Befehlszyklus besitzt mehrere Phasen.

Zunächst muss der Befehl geholt werden (engl. „instruction fetch“, IF), als Nächstes muss die Maschine den Befehl decodieren (engl. „instruction decode“, ID). Es folgen die eigentliche Ausführung des Befehls (engl. „execute“, Ex) und das Rückspeichern des Ergebnisses (engl. „write back“, WB). Ausführlicher wird der Befehlszyklus im [Abschn. 6.3 Mikroarchitektur] behandelt. Die Operation oder Anweisung eines Befehls wird durch einen Opcode (Operation-Code) codiert. Der Opcode ist ein eindeutiges Bitmuster. Jedes Bitmuster eines Befehls hat in einer Architektur eine festgelegte Bedeutung. Die Wahl der Codierung erfolgt speichereffizient, d. h., in einem Befehlssatz muss die Codierung nicht der Logik der einzelnen Befehlsklassen folgen, sondern kann davon abweichend komprimiert sein. Da Bitmuster für Menschen schwer zu unterscheiden und zu merken sind, ist jedem Opcode eine Mnemonik (Gedächtnisstütze, vom Griechischen „mn¯ emoniká“, Gedächtnis) genannte lesbare Abkürzung zugeordnet.

Definition 6.1.2 – Opcode
Ein Opcode oder Operation-Code ist in einem Befehlssatz ein eindeutiges Bitmuster, das einen Befehl und dessen Operan- denzugriffe eindeutig spezifiziert.

Definition 6.1.3 – Operation
Die Anweisung oder Operation obestimmt die Funktion ei- nes Befehls. Ein Befehl kann ein oder mehrere Operationen aufweisen.

Bei vielen Prozessoren, den so genannten CISC-Prozessoren, steht hinter jedem Maschinen- befehl ein Mikroprogramm aus noch einfacheren Befehlen, den Mikrobefehlen.

[CISC] Hinter jedem Maschinenbefehl steht ein Mikroprogramm

[CISC] Ein Mikroprogramm besteht aus Mikrobefehlen

DSB is a specific form of AM. The general form of DSB modulation of a message \(s(t) = \cos(\omega_{i}t)\):

\(\begin{aligned}s_{\mathrm{HF}}(t) & =\gamma s(t) \cos \left(\omega_{\mathrm{c}} t\right)=\gamma \cos \left(\omega_i t\right) \cos \left(\omega_{\mathrm{c}} t\right) \\& =\underbrace{\frac{\gamma}{2} \cos \left(\left(\omega_{\mathrm{c}}-\omega_i\right) t\right)}_{\text {lower sideband }}+\underbrace{\frac{\gamma}{2} \cos \left(\left(\omega_{\mathrm{c}}+\omega_i\right) t\right)}_{\text {upper sideband }}\end{aligned}\)