3.4. Mikroprozessoren und Peripheriesysteme für Anfänger

Letztmalig dran rumgefummelt: 16.07.15 21:05:16

	Seit im Jahre 1976 der Japaner ??? auf die Idee kam, doch die Funktionen einer Zentraleinheit auf einem Chip unter zubringen, haben wir ihn: den Mikroprozessor. Zwischenzeitlich hat er sich gemausert und die Zeichen der Zeit effizient genutzt: er ist kleiner und leistungsfähiger geworden - hat gleich die gesamte Peripherie mit an Bord geholt und winkt uns heute als Mikrocontroller schon aus fast allen Haushaltgräten.
	1. Mikroprozessoren - der Opa: intel 4004 2. Aufbau von Mikroprozessoren 3. Arbeitsweise von Mikroprozessoren 4. CPU-Rollenspiel 5. Ausblick 6. Verwandte Themen
	die Informatikseiten Logo für Mikroprozessor und Peripherie inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-) Wissen für Fortgeschrittene der Informatik
	Quellen: Lehr- und Übungsbuch Informatik Band 1 - 5 Seite ??? Technische und Theoretische Informatik  Seite ???

1. Mikroprozessoren

Vorab: das hier nun formulierte ist nicht unbedingt für Anfänger gedacht und auch nicht geeignet. Es steht hier, damit man für fortgeschrittenes Wissen einen Faden hat, wo und wie's weiter geht. Die Entwicklung des Mikroprozessors charakterisiert den Beginn einer neuen Phase der Elektronik, die in ihrer Bedeutung mit der Erfindung des Transistors vergleichbar ist. Der Mikroprozessor versetzt den Elektronikentwickler in die Lage, komplexe Steuer- und Rechenschaltungen mit erstaunlich geringem Hardwareaufwand und niedrigen Kosten unter Verwendung weniger hoch integrierter Schaltkreise zu realisieren. Darüber hinaus kann er seine Systeme im wesentlichen nur durch Auswechseln von ROM-Schaltkreisen bzw. durch Umprogrammieren von EPROMs, heute eher Flash-ROMs (Programmspeicher) an viele völlig unterschiedliche Aufgabenstellungen anpassen. Vor Erscheinen des Mikrorechners musste der Entwickler von Digitalschaltungen seine Systeme aus Einzelelementen wie Gattern, Schieberegistern, Zählern usw. entwerfen, aufbauen und erproben. Bei Verwendung von Mikrorechnern wird dieser hardwaremäßige Zusammenbau von Digitalschaltungen weitgehend durch die geschickte Kombination von Softwareelementen ersetzt. Das Erscheinen des Mikroprozessors hat daher gleichzeitig die starke Einbeziehung von Softwareproblemen in die Elektronik bewirkt. Mikroprozessoren bestehen im wesentlichen aus einer Arithmetik-Logik-Einheit (ALU), aus einem Registersatz und Steuerschaltungen. Der Einsatz des Mikroprozessors und seine Komplettierung zum Mikrorechner bewirken, dass neue und wesentlich komplexere Aufgaben der Signalverarbeitung durch Nutzung der fast unbegrenzten Möglichkeiten des Digitalrechners gelöst werden können.

Mikroprozessoren und ihre Entwicklung INTEL-Prozessoren der Opa i4004 ZILOG Z80 Mikroprozessoren - The History Standard-Mikroprozessoren zum i4004 Z80-System

2. Aufbau von Mikroprozessoren

	Entwickelt haben sich Mikroprozessoren relativ langsam, wobei sie die stürmische Entwicklung der verfügbaren Bauelemente von Anfang an für sich genutzt haben. Elektronische Rechner wurden zuerst mittels Relais, später mit Röhren und nachfolgend mit Transistoren aufgebaut. Als hoch integrierte Schaltkreise verfügbar waren, wurden dies sehr schnell in Digitalrechnern eingesetzt (eventuell ist hier auch festzustellen, dass Bauelemente wegen des Bedarfs der Rechentechnik entwickelt wurden - jedenfalls waren alle Komponenten eines heutigen Mikroprozessors auch schon einmal als diskrete Bausteine verfügbar).
	Mikroprozessoren
	Mikroprozessoren sind "... saudoof auf hohem Niveau!" Sie beherrschen nur die Addition zweier Zahlen und nutzen die Eigenschaft der Mathematik, dass sich alle anderen Operationen auf eine Addition zurückführen lassen.

3. Arbeitsweise von Mikroprozessoren

	Ein Mikroprozessor ist ein hochkomplexer Baustein und bei der Beschreibung seiner Funktionsweise hat man zwei Möglichkeiten: entweder man erklärt alles - und das versteht keiner, oder aber, wir reduzieren alles auf ein anschauliches Niveau - wohl wissend, dass es nicht ganz so einfach ist. Wir stellen hier verschiedene Modelle vor - diese werden dann auch stufenweise komplexer ...
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4. CPU-Rollenspiel  von www.oberstufeninformatik.de

	Aktivität jedes Schülers ist das beste Mittel zum Verstehen. Also aktivieren wir auch alle. Praktisch werden Gruppen gebildet und mit einfachsten selbst herzustellenden Mitteln werden die notwendigen Requisiten angefertigt und das Spiel vor allen Gruppen wieder gegeben. Dann kann auch verglichen werden, was besonders gut gelungen ist und woran man noch feilen muss. Wir verwenden nur einstellige Befehlscodes - in Praxi bestehen Prozessorbefehle aus ein bis vier Byte. Auch unsere Operanden sind einstellig - in Praxi werden auch sehr große Zahlen auf dann eben mehreren Speicherplätzen abgelegt. Auch verwenden wir nur ein Register während in realen Prozessoren sehr viele Register verfügbar sind.
	Standard-Rollenspiel mit vollständiger Doku ... und das brauchen wir ... und wer tut nun was? ... und so wird's gemacht: ... und nochmals in Kurzform: das CPU-Rollenspiel - die Spielanleitung Corel-Grafik für die benötigten Materialien das CPU-Rollenspiel und seine Darsteller Corel-Grafik Darsteller und Aufgaben das komplexe CPU-Rollenspiel Corel-Grafik für den Befehlsablaufn das kompakte CPU-Rollenspiel Corel-Grafik für den Befehlsablaufn
	Das Beispielprogramm Erweiterung des Befehlssatzes und Aufgaben   ... alle Materialien zum Download Schachtel-Nummer Pragramm-Befehl Bedeutung 1 16 Hole den ersten Operanden aus Schachtel Nr. 6 und bringe ihn zum Rechenknecht 2 37 Hole den zweiten Operanden aus Schachtel Nr. 7 und addiere  ihn zum ersten Wert, den der Rechenknecht schon hat 3 28 Schreibe das Ergebnis auf die Schachtel Nummer 8 4 48 Hole den Inhalt aus der Schachtel Nummer 8 und bringe ihn zum Bildschirm 5 50 Beende das Programm 6 37 erster Operand 7 15 zweiter Operand 8 00 hier wird am Ende das ergebnis stehen Erweiterte Aufgabenstellung mit kompakterem Befehlssatz   das CPU-Rollenspiel
	Was muss ich eigentlich alles beachten, welche Möglichkeiten der Differenzierung existieren und vor allem: wie kann und sollte bewertet werden? Handout austeilen Einführungsvortrag mit Bezug zu realen Prozessoren Beschreibung eines exemplarischen Befehlszyklus' Rollen verteilen ausgewähltes Programm diskutieren Darstellendes Spiel Diskussion eines weiteren Programmes Allternativen zum Rollenspiel mit komplexeren Befehlsmodell weitere Rollenspiele in der Arbeit mit Schülern Gruppen zu 6 + x Schülern einteilen Rollen einstudieren Vorspielen gegenseitige Bewertung
	und so kann das aussehen ... Rechenknecht Olli in Hochform Adressierer Patricia stellt sich vor Datenbote Stephanie als Bildschirm fungiert Christina unser Schachtelzähler hier und heute: Ansgar CPU-Leiter Daniel Datenbote wartet auf Anweisungen vom CPU-Leiter Adressierer bei der Arbeit ... so ein Datenbote hat viel zu tun ... ... und ein CPU-Leiter muss hochkonzentriert arbeiten transportiert werden immer nur Kopien dann gibt's auch irgendwann einmal ein Ergebnis

5. Ausblick

Bereits heute sind Mikroprozessoren in Geräten installiert, wo wir sie nicht vermuten - sie sind trotzdem da ;-) Auch muss unsere landläufige Vorstellung vom Computer dahingehend korrigiert werden, als dass diese heute ganz anders aussehen, als es unserer landläufigen Erfahrung entspricht.

Kennzeichnungspflicht für hintergündigen Humor seit dem 5.12.07   Da auch im Airbus Pentium Prozessoren für die Sicherheit sorgen, wissen wir ja jetzt auch, warum die Dinger immer runterkommen, obwohl es mehrere Systeme zur gegenseitigen Absicherung gibt... Denn wie inzwischen allgemein bekannt ist, sorgt der Fehler im Pentium für mehr oder weniger erhebliche Rechenungenauigkeiten... Hören wir doch mal einem solchen Multi-Pentium-Rechner bei der Arbeit zu: Pentium 1:"Hey, sind wir nicht schon zu tief?" Pentium 2:"Ach wo, nach meinen Berechnungen sind wir noch zu hoch!" Pentium 3:"Wo sind wir eigentlich?" Pentium 4:"Zu hoch stimmt, wir können also noch tiefer." Pentium 1:"Und ich sage ZU tief!" Pentium 2:"Zu hoch, zu hoch, zu hoch!! Pentium 3:"Ich spiel jetzt 'ne Runde Pac Man." Pentium 4:"Also runter mit der Kiste." Pentium 1:"Laut Radar streifen wir schon fast die Bäume." Pentium 2:"Glaubst Du nun dem Radar oder unseren Berechnungen?" Pentium 3:"X-Wing wäre mir lieber." Pentium 4:"Also 3 ... öh ... 2 gegen 1. Wir gehen tiefer!" Pentium 1:"Das sage ich alles Billy Boy!" Pentium 2:"Hey, der Pilot will die Kiste hochziehen, der Idiot." Pentium 3:"Wenn ich groß bin, will ich mal ein Motorola werden." Pentium 4:"Immer diese unzuverlässigen Menschen! Manuelle Steuerung aus! Wir übernehmen jetzt!" Pentium 1: *Schmoll* Pentium 2:"Hey, was scheppert denn da so laut?" Pentium 3:"Ich bin ein rosa Hochzeitskuchen, tüdel dideldumm..." Pentium 4:"Seit wann gibt es 500 Meter hohe Bäume? So ein Mi ..." KAWUMMMMMMMMMMMM!!! Später in den Nachrichten: Am Abend stürzte ein Airbus beim Landevorgang ab. Nach der Ursache wird noch geforscht. Eine Auswertung der BlackBox gab bisher keine gezielten Hinweise, jedoch lässt der häufig vorkommende Satz "Rosa Hochzeitskuchen" darauf  schließen ...

6. Verwandte Themen

	Im Begriff Wide-Aera Network läuft ja nun eigentlich technisch die gesamte Informatik zusammen - können und wollen wir gar nicht alles bedienen - aber einiges haben wir und stellen es als Denkanstoß auf diesen Links zur Verfügung. Schnell ist man natürlich im Innenleben der Netzwerke - nur für ganz harte Burschen geeignet ;-)
	Bereich Informatik ... wer in der Informatik was erreichen will, muss sich tief reinknien! Pardigmen des Informatikunterrichts Logische Struktur einer CPU
	Anfängerbereich Hard- und Software Computer für Anfänger Computertechnik Netzwerke für Anfänger Standardsoftware Betriebssysteme Software-Lifecycle Multimedia Informatik ohne Computer
	Bereich Pädagogik & Informatik Informatikunterricht Leitlinien und Prinzipien des Informatikunterrichts Paradigmen des Informatikunterrichts Pädagogik, Fachdidaktik sowie Methodik der Informatik Medienkompetenz oder informatische Bildung Informatik-Projekte am Gymnasium Flöha
	Bereich Problemlösungsstrategien Worst-Case-Denken Algorithmentheorie Komplexität, Mächtigkeit und Aufwand Lösbarkeit und Problemlösungsstrategien Klassische algorithmisch lösbare Probleme Zufall und Computer Graphentheorie Petri-Netze Algorithmen
	Bereich Rechentechnik und Betriebssysteme Computergeschichte von-Neumann-Architektur Logo der Parallelrechnersystemee Betriebssysteme Mikroprozessoren
	Bereich Mikroprozessoren und Einchipcontroller der LC-80 POLYCOMPUTER Z80-CPU Mnemonic-Code-Notation höhere Programmierwerkzeuge ... und so funktioniert ein Computer   die beliebte alphabetisch sortierte Schnell-Liste die beliebte numerisch sortierte Schnell-Liste Allgemeine FLAG-Wirkung FLAG-Wirkung auf OP-Code-Gruppen Alphabetisch sortierte Dokumentation FLAG Teile I FLAG Teile 2 Allgemeine Funktionssymbolik Der LC-80 Simulator Mikrocontroller

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© Frank Rost im Oktober 2007