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Writerside/in.tree

@@ -13,5 +13,8 @@
     </toc-element>
     <toc-element toc-title="Rechnerarchitektur">
         <toc-element topic="Historie.md"/>
+        <toc-element topic="Prozessorkonzepte.md">
+            <toc-element topic="MU0Rechner.md"/>
+        </toc-element>
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Writerside/topics/RA/Historie.md

@@ -1,54 +1,89 @@
-# Topic title
+# Historie
 
-```timeline
-[line-3, body-4, active-color-background-modifier-error-hover]
+```mermaid
+stateDiagram
+    [*]--> ersteAutomaten
+    ersteAutomaten: 60 n Chr.
+    note right of ersteAutomaten
+        Alexandriner Heron entwickelte
+        viele Automaten z.B.
+        automatische Türen mit Hebeln
+        _
+    end note
     
-+ 1100 v.Chr
-+ [[Abakus]]
-+
+    ersteAutomaten --> zeitDerUhrmacher
+    zeitDerUhrmacher: 1348-1364
+    note left of zeitDerUhrmacher
+        Giovanni de Dondi baute 1348-1364 die
+        erste Astronomische Uhr
+        _
+    end note
+    note left of zeitDerUhrmacher
+        Eingabe: Takt
+        Ausgabe: Zeiger
+        Zahnräder: innerer Zustand
+        _
+    end note
     
-+ 60 n.Chr
-+ [[Die ersten Automaten]]
-+ 
+    zeitDerUhrmacher --> astronomischeUhr
+    astronomischeUhr: 1354
+    note left of astronomischeUhr
+        Astronomische Uhr
+        _
+    end note
     
-+ 12 - 14 Jahrhundert
-+ [[Die Zeit der Uhrmacher]]
-+
+    astronomischeUhr --> lochkartenWebstuhl
+    lochkartenWebstuhl: 1725-1728
+    note right of lochkartenWebstuhl
+        Basile Bouchon 1725 und Jean
+        Babtiste Falcon 1728 erfanden
+        eine Apparatur die über
+        Lochkarten gesteuert wurde
+        _
+    end note
     
-+ 17 Jahrhundert
-+ [[Napierstäbchen]], [[Mechanische Rechenmaschine]], 
-+
+    lochkartenWebstuhl --> jaquesDesVaucanson
+    jaquesDesVaucanson: 1745
+    note left of jaquesDesVaucanson
+        Der mechanische Webstuhl wurde
+        durch Jacques de Vaucanson, einem
+        Erfinder um 1745 weiterentwickelt,
+        konnte sich aber immer noch nicht
+        durchsetzen
+        _
+    end note
+    note left of jaquesDesVaucanson
+        Vaucanson entwickelte auch andere
+        Automaten, so die berühmte Ente
+        _
+    end note
     
-+ 18 Jahrhundert
-+ [[Die ersten Lochkartenautomation]]
-+
-asd
-+ 19 Jahrhundert
-+ [[Charles Babbage|Differenzengine & Analytical Engine]], [[Vorlesungen_RA.pdf#page=49|Ada Lovelace]], [[Parallelisierung]]  
-+
+    jaquesDesVaucanson --> jaquard
+    jaquard: Der Jaquard Webstuhl
+    note right of jaquard
+        erste frei programmierbare
+        Maschine, die in großer Menge
+        gefertigt wurde
+        _
+    end note
+        note right of jaquard
+        Der Lochkartenstreifen ist der
+        erste Datenträger, der
+        austauschbare Programme trägt
+        _
+    end note
     
-+ 1927 - 1940
-+ (Elektro-)mechanische Rechenmaschinen
-+
+    jaquard --> lochkartenSteuerungMusik
+    lochkartenSteuerungMusik: Ende 17. Jhd
+    note left of lochkartenSteuerungMusik
+        Drehorgeln, Orchestrion 
+        (stellt ganzen Orchester dar) 
+        Konnte noch nicht speichern
+        _   
+    end note
     
-+ 1940 -1955
-+ Elektronenröhren, Relais, Steckfelder, [[Zuse Z3]], [[ENIAC]], [[EDSAC]], [[EDVAC]]
-+
+    lochkartenSteuerungMusik --> ersteRechenmaschine
     
-+ 1955 - 1965
-+ [[Transistoren]], [[Stapelverarbeitung]], [[Mainframes]], [[Minicomputer]]
-+
     
-+ 1965 - 1980
-+ Integrierte Schaltungen, Dialogbetrieb
-+
-
-+ 1980 - 2000
-+ Hochintegrierte Schaltungen, [[Mikrocomputer|PCs/Workstations]]
-+
-
-+ 2000
-+ Verteilte Systeme, Mobile Systeme
-+
     
 ```

Writerside/topics/RA/MU0Rechner.md

@@ -0,0 +1,177 @@
+# MU0-Rechner
+## Historie
+- **SSEM** _Small Scale Experimental Machine_ erste erfolgreiche Implementierung des Von-Neumann-Rechners
+  - 1948 erstmals Programm aus dem Speicher ausgeführt
+
+## Elemente
+![image_22.png](image_22.png)
+- **[Steuerwerk](MU0Rechner.md#steuerwerk)**
+  - _Control_ - Takt, Steuerlogik
+  - _IR - Instruction Register_ - speichert den aktuellen Befehlscode
+  - _PC - Programm Counter_ - speichert die aktuelle Programmadresse
+- **Rechenwerk**
+  - _[ALU](MU0Rechner.md#alu) - Arithmetic Logic Unit_ - kann rechnen
+  - _ACC - Akkumulator_ - Ergebnis Register für Rechnungen
+- **[Speicherwerk](MU0Rechner.md#speicher)**
+  - _Memory_ - speichert Programme und Daten
+- **Bus** - verbindet alle Elemente
+
+### Steuerwerk
+- Steuert Elemente mithilfe von Steuersignalen
+- Besteht aus
+  - Ablaufsteuerung / Steuerlogik
+  - Dekodierer
+  - Befehlsregister IR
+  - Befehls-Zähler PC
+- **Endlicher Automat, der gemäß der Steuerlogik Steuersignale schaltet**
+- führt für jeden Befehl ein Mikroprogramm aus Mikroschritten aus
+
+### Register
+![image_23.png](image_23.png)
+- Zwischenspeicher
+  - Register-Größe: 1 Wort (16 Bit)
+- Arbeitsmodus Lesen / Schreiben
+  - _output enable_ liegt an → Daten ausgeben (schreiben)
+  - _input enable_ liegt an → Daten einlesen
+- Ausgeben und Lesen erfolgt jeweils beim Flankenwechsel
+  - Ausgeben erfolgt einen halben Takt früher als das Lesen, sodass ein Register in einem Zyklus schreiben und lesen kann
+  - ![image_24.png](image_24.png)
+
+### Speicher
+- Stelle im Speicher wird über eine Adresse angesprochen
+- Adresse wird vom Adressbus gelesen
+- Daten werden vom Datenbus gelesen bzw. geschrieben
+- ![image_25.png](image_25.png)
+
+### Datenpfade
+- je nach Steuerungscode lesen / schreiben
+- geschriebene Daten liegen an Datenpfad an
+- immer nur 1 Element schreiben
+- ![image_26.png](image_26.png)
+
+### ALU
+- über Steuercode wird Funktion ausgewählt
+  - Eingang A, B führt aus
+  - mögliche Funktionen:
+    - A+Β
+    - A-B
+    - A*Β
+    - Konjunktion (logisches UND, bitweise)
+    - Disjunktion (logisches ODER, bitweise)
+    - Vergleich von A und B (bitweise)
+    - ...
+
+## Beispiel für einen Befehlsablauf
+![image_27.png](image_27.png)
+
+## Der Rechenzyklus
+### Fetch
+![image_28.png](image_28.png)
+1. Wert des Programmcounters auf den Adressbus legen
+2. Programmcode aus dem Speicher in das Instructionregister lesen
+3. ALU erhöht gleichzeitig Wert des PC und speichert diesen wieder zurück
+
+### Decode/Execute/Write für Rechenoperationen
+![image_29.png](image_29.png)
+1. Adresse des Operanden aus dem Befehl dekodieren (1)
+2. Wert des angesprochenen Speicherworts an einen Eingang des ALU schalten (2)
+3. zweiter Eingang der ALU erhält seine Information vom Akkumulator (2)
+4. Rechenoperation wird aus dem Befehl dekodiert und and der ALU über Steuercode gewählt (1)
+5. Ergebnis der Rechnung wird wieder im Akkumulator gespeichert (3)
+
+## Taktsynchronität
+- Register sind Zwischenspeicher und arbeiten getaktet
+  - Daten liegen taktsynchron am Bus an
+- ALU und Speicher sind nicht taktsynchron
+  - folgen Steuercodes und dem Inhalt auf dem Bus
+
+## Umsetzung MU0-Struktur in Hardware
+- Architektur muss in Gattern und getaktet umsetzbar sein
+- Prinzip des minimalen Hardwareaufwands
+
+- Festlegung der Wortbreite: 16 Bit
+- [Datenpfad-Modell](MU0Rechner.md#datenpfad-modell)
+- Steuerung der Elemente durch Steuercodes
+- Befehle (Instruction Set)
+  - Kodierung der Befehle
+  - Steuerlogik
+
+### Datenpfad-Modell
+![image_30.png](image_30.png)
+- bisheriges Bild lässt sich nicht 1:1 umsetzen
+  - ALU hat nur zwei Eingänge
+    - Getrennte Datenpfade für jeden ALU-Eingang
+  - Kontrolle der PFade für Daten und Adressen durch [Multiplexer](MU0Rechner.md#multiplexer)
+
+#### Multiplexer
+![image_31.png](image_31.png)
+- Schalter, der durch Anlegen eines Steuersignals das ausgewählte Eingangssignal auf den Ausgang legt
+
+#### Befehlsgruppen
+- Multiplexer B steht auf 1 bei allen _Datenverarbeitungs-Befehlen_ und auf 0 bei allen _Sprung-Befehlen_
+- Multiplexer A wird nur für _Fetchzyklus_ auf 0 gestellt
+  - ansonsten wird S (unterer Teil von IR) immer als Adresse interpretiert
+- Bei _Sprung-Befehlen erfolgt kein Datenzugriff, S (IR) wird direkt nach PC verschoben
+
+## Kennwerte
+- Wortbreite des Prozessors: 16 Bit
+  - Registergröße
+  - Busbreite
+  - Eingänge/Ausgänge ALU
+- Instruktionen immer 2 Takte lang
+  - Fetch + Instruction (= Execute): 2 Takte
+  - Schreiben + Lesen + Schreiben + Lesen: 4 Taktflanken
+
+## Elemente und Steuercodes
+![image_32.png](image_32.png)
+
+## Speicher des MU0
+- Steuersignale des Datenbus:
+  - MemRQ (Memory Request)
+    - Speicherbaustein wird angesprochen
+  - RnW(Read / not Write)
+    - gibt an, ob (von oder in) den Speicher geschrieben wird
+      - _Lesen bei High, Schreiben bei Low_
+
+## Instruction Set des MU0-Rechners (Befehlssatz)
+![image_33.png](image_33.png)
+- Prozessor kennt keine Befehle
+  - zum **Laden und Speichern** von Werten
+  - zur **Berechnung**
+  - zur **Ablaufkontrolle**
+
+- Die Instruktionen setzen sich zusammen aus
+  - einem 4 Bit Operation Code
+  - einer 12 Bit Adresse
+  → 16 Befehle möglich
+
+## MU0-Steuerlogik (_Kontroll-Logik_)
+![image_34.png](image_34.png)
+
+### Fetchen
+![image_35.png](image_35.png)
+
+### ADD S
+![image_36.png](image_36.png)
+
+## Ein erstes MU0-Programm
+![image_37.png](image_37.png)
+
+## Fazit
+- Elemente der von-Neumann-Architektur
+  - Steuerwerk, Rechenwerk, Speicherwerk, I/O
+- Speicherprogrammiert
+  - Programme (& Daten) liegen im Speicher
+- Architektur muss in Gattern umsetzbar sein
+  - Datenpfad & Steuertabelle
+- Von-Neumann-Zyklus: Fetch-Decode-Execute-Write
+- Steuerlogik wird über Opcodes (Befehle) abgefragt und generiert Steuercodes
+
+- MU0 ist ein Modellrechner zum Lernen
+  - 16-Bit Wortbreite, binär
+  - Register: PC, IR, ACC
+  - Befehlssatz (Instruction Set)
+    - 4-Bit OpCode erlaubt 16 Befehle, 8 sind implementiert
+  - Takt
+    - Immer 2 Zyklen pro Mikroprogramm
+

Writerside/topics/RA/Prozessorkonzepte.md

@@ -0,0 +1,28 @@
+# Prozessorkonzepte
+
+## Was sollte ein Rechner können
+- Rechnen
+  - **`+` `-` `*` `/`**
+- **Datenbewegung** (kopieren)
+- **Strukturierte Lösung eines Problems**
+  - Abfolge von Rechenoperationen
+  - Verwendung von Daten, indirekte Adressierung, Pointer
+  - Schleifen, Sprünge
+  - Unterprogramme (Strukturen)
+- **Spezielle Befehle** (z.B. Interrupts zur Anbindung von Peripherie)
+- **Performance**
+  - Optimierung der Datenzugriffe (schneller)
+  - mehr Daten
+  - spezielle Algorithmen z.B. Graphik, Audio-Codecs, ...
+- **Energieeffizienz**
+
+## Von-Neumann-Rechner (Speicherprogrammierter Rechner)
+Veröffentlicht 1945
+![image_20.png](image_20.png)
+- _Arithmetic Logic Unit_ - Rechenwerk
+- _Control Unit_ - Steuerwerk
+- _Memory_ - Speicherwerk
+- _Input/Output_ - Ein-/Ausgabewerk
+
+## MU0 - MU7
+### [MU0 - Rechner: Basiskonzept](MU0Rechner.md)