Rechnerorganisation

Einleitung

It ain’t what you don’t know that gets you into trouble. It’s what you know for sure that just ain’t so.

Implizite Annahmen sind eine der häufigsten Fehlerursachen in Programmen.

<?php

function summe($a, $b): void
{
    echo $a + $b;
}

Das obige Beispiel addiert zwei Variablen und gibt das Ergebnis aus. Der Programmierer nimmt an, dass nur Variablen vom Typ int als Parameter übergeben werden. Jedoch wird das im Quellcode nicht überprüft, was zu Fehlern führen kann. Besser geht das so:

<?php

function summe(int $a, int $b): void
{
    echo $a + $b;
}

Abstraktion

Die Verwendung von Abstraktionen ist das wichtigste Werkzeug in der Programmierung, um die Komplexität von Software zu managen.

Beispiele für Abstraktionen ausgehend von Maschinencode:

• Assembler
• Imperative Programmierung
• Objektorientierte Programmierung
• Generische Programmierung
• Metaprogrammierung

Abstraktes Rechnermodell

Arbeitsspeicher

• Ein Arbeitsspeicher besteht aus einer Folge von Speicherzellen
• Jede Speicherzelle hat eine Adresse
• Jede Speicherzelle kann eine Anzahl an Bits speichern, typischerweise $8 \text{Bits} = 1 \text{Byte}$.

Prozessor

• Ein Prozessor hat eine begrenzte Anzahl an Registern
• Ein Prozessor hat eine arithmetisch-logische Einheit (ALU), die arithmetische und logische Operationen auf den Registern ausführen kann.
• Ein Prozessor hat ein Steuerwerk, welches die ALU steuert und mit dem Arbeitsspeicher kommunizieren kann.

Prozessablauf

1. Das Steuerwerk nutzt ein Register als instruction pointer (IP) bzw. program counter (PC).
2. Fetch: Das Steuerwerk lädt den Inhalt der Speicherzelle, auf dessen Adresse der IP zeigt.
3. Decode: Das Steuerwerk konfiguriert die ALU gemäß dem geladenen Bitmuster.
4. Execute: Die ALU tut das, wozu sie konfiguriert wurde. Anschließend wird der nächste Fetch ausgeführt.