Assembling Pi

A.1 Einführung

1.2.2 Grundlagen der Computerarchitektur: Von-Neumann-Architektur

Um mit der Assembler-Programmierung auf ARM-Prozessoren zu beginnen, ist es entscheidend, die grundlegende Funktionsweise der ARM-CPUs zu verstehen:

ARM-Prozessoren basieren auf der Von-Neumann-Architektur, die drei zentrale Komponenten umfasst: die CPU (Central Processing Unit), bestehend aus Kontrolleinheit und ALU, den Speicher und die Ein-/Ausgabegeräte (E/A). Diese Komponenten sind über einen Systembus miteinander verbunden.

Stored Program Concept

Ein zentrales Konzept der Von-Neumann-Architektur ist das “Stored Program Concept”. Es besagt, dass Programme und Daten im gleichen Speicher abgelegt werden. Dies erlaubt es der CPU, Befehle aus dem Speicher zu lesen und auszuführen, wodurch die Flexibilität erhöht wird, verschiedene Programme einfach durch Ändern des Speicherinhalts auszuführen.

Die zentralen Komponenten der Von-Neumann-Architektur werden bei ARM Prozessoren durch Konzept der Load/Store-Architektur ergänzt.

Load/Store-Architektur

Bei ARM-CPUs handelt es sich um eine Load/Store-Architektur, bei denen Speicherzugriffe nur mittels spezieller Befehle (LDR und STR) durchgeführt werden können und direkte Berechnungen auf Daten im Speicher nicht möglich sind (im Gegensatz zu x86 CPUs). Rechenoperationen finden demnach ausschließlich in den Registern (kleine Speichereinheiten) der CPU statt. Dies bedeutet, dass Daten für ihre Verarbeitung zuerst vom Speicher in Register geladen und nach der Berechnung wieder in den Speicher zurückgeschrieben werden müssen.

Ein Prozessor ist im wesentlichen eine Maschine, die Berechnungen mit Hilfe kleiner Speichereinheiten namens Register durchführt. Die Daten, mit deren Hilfe wir Berechnungen durchführen wollen, müssen also in diese Register geladen werden, damit wir mit ihnen arbeiten können. An dieser Stelle ist es jedoch wichtig zu betonen, dass nicht alle dieser Ganzzahl-Register für alle Rechenoperationen verwendet werden dürfen. Selbst bei einigen Registern, die wir beliebig verwenden dürften, sollten wir davon Abstand nehmen, da wir sie für spezielle Zwecke benötigen. Innerhalb der ARM-CPU gibt es verschiedene 32-Bit Register, die für spezifische Aufgaben verwendet werden:

Register	Zweck
R0	Allzweckregister
R1	Allzweckregister
R2	Allzweckregister
R3	Allzweckregister
R4	Allzweckregister
R5	Allzweckregister
R6	Allzweckregister
R7	Allzweckregister
R8	Allzweckregister
R9	Allzweckregister
R10	Allzweckregister
R11	Frame-Pointer
R12	Allzweckregister
R13	Stack-Pointer
R14	Link-Register
R15	Programm-Counter
CPSR	Statusregister

• General-Purpose Register: Diese Register dienen als Allzweckregister allgemeinen Berechnungen und Datenoperationen und sind vielseitig einsetzbar.
• Stack Pointer (SP): Verwaltet den Stack im Speicher und zeigt auf den aktuellen Top of Stack. Er wird verwendet, um temporäre Daten und Rücksprungadressen zu speichern.
• Link Register (LR): Speichert die Rücksprungadresse bei Funktionsaufrufen, um nach der Ausführung der Funktion zur ursprünglichen Adresse zurückzukehren.
• Frame Pointer (FP): Wird verwendet, um auf Parameter und lokale Variablen im Stack zuzugreifen.
• Program Counter (PC): Beinhaltet die Adresse der nächsten auszuführenden Instruktion. Der PC wird nach jeder Instruktion automatisch erhöht, und bei Verzweigungen angepasst, um zur neuen Instruktionsadresse zu springen.
• Statusregister: Ein 32-Bit-Register, das Flags enthält, die den Status des Prozessors anzeigen, wie etwa den Zustand vorheriger Operationen.

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1.2 Grundlagen der Computerarchitektur
1.2.1 Die Ausführung von Programmen durch den Computer
1.2.2 Von-Neumann-Architektur
1.2.3 Der Speicher
1.2.4 Cache
1.2.5 Ein- und Ausgabegeräte
1.2.6 Der Systembus
1.2.7 Der Befehlszyklus