Alle Tabs der Lerneinheit (Erklärung · Interaktiv verstehen · Praxis-Übung · Klausur-Quiz) als durchgehender Text. Ideal zum Wiederholen vor der Klausur, und für Suchmaschinen wie Google, Bing und KI-Suche (ChatGPT, Perplexity).
Teil 1·Erklärung
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Was passiert mit deinem C- oder Java-Code, bevor die CPU ihn ausführt? Er wird zu Maschinensprache übersetzt: rohe Bitmuster, die die CPU direkt versteht. Assembler ist die menschenlesbare Form davon, eine Sprache pro CPU-Befehl. Klausurinhalt in 4/8 Rechnerarchitektur-Modulen, meist mit Befehlsformaten und kleinen Programmen.
Klausur-Tipp: Verfolge, wie der PC nach jedem Befehl weiterzählt und welches Zielregister sich ändert. Erkenne am Befehl, ob er R-Type (nur Register) oder I-Type (mit Immediate) ist.
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Was passiert mit deinem C- oder Java-Code, bevor die CPU ihn ausführt? Er wird zu Maschinensprache übersetzt: rohe Bitmuster, die die CPU direkt versteht. Assembler ist die menschenlesbare Form davon, eine Sprache pro CPU-Befehl. Klausurinhalt in 4/8 Rechnerarchitektur-Modulen, meist mit Befehlsformaten und kleinen Programmen.
| Ebene | Beispiel | Wer versteht es? |
|---|---|---|
| Hochsprache | c = a + b; | Mensch, plattformunabhängig |
| Assembler | ADD R3, R1, R2 | Mensch, eine Zeile pro Maschinenbefehl |
| Maschinensprache | 000000 00001 00010 ... | nur die CPU (Bitmuster) |
Assembler ist die symbolische 1:1-Darstellung der Maschinensprache. Jeder Assembler-Befehl entspricht genau einem Maschinenwort. Der Assembler (das Programm) übersetzt sie in Bits.
Im Gegensatz dazu erzeugt ein Compiler aus einer Hochsprachen-Zeile oft VIELE Maschinenbefehle.
$zero).| Art | Beispiele | Aufgabe |
|---|---|---|
| Arithmetik/Logik | ADD, SUB, AND, OR, ADDI | Rechnen auf Registern |
| Daten-Transfer | LW (load word), SW (store word) | zwischen Register und Speicher |
| Verzweigung/Sprung | BEQ, BNE, J | Steuerfluss ändern (if, Schleifen) |
Load-Store-Architektur (RISC): nur LW/SW greifen auf den Speicher zu, alle Rechenbefehle arbeiten auf Registern.
| Format | Felder | Wofür |
|---|---|---|
| R-Type | opcode, rs, rt, rd, shamt, funct | Register-Operationen (ADD, SUB) |
| I-Type | opcode, rs, rt, immediate | Immediate + Load/Store + Branch (ADDI, LW, BEQ) |
| J-Type | opcode, Adresse | Sprünge (J) |
ADDI R1, R0, 5).ADD R3, R1, R2).LW R1, 4(R2)).loop:) statt Adressen.ADDI R1, R0, 5 ; R1 = 5
ADDI R2, R0, 3 ; R2 = 3
ADD R3, R1, R2 ; R3 = 8
SUB R3, R3, R2 ; R3 = 5
Der Program Counter (PC) zeigt auf den nächsten Befehl und wird nach jedem Schritt erhöht (bei Sprüngen anders gesetzt).
1. Assembler = 1:1 zu Maschinensprache (ein Befehl, ein Maschinenwort). Compiler = 1:viele.
2. 3 Befehlsarten: Arithmetik/Logik, Daten-Transfer (LW/SW), Verzweigung/Sprung.
3. Load-Store-Prinzip (RISC): nur LW/SW gehen zum Speicher.
4. 3 Formate (MIPS): R-Type (Register), I-Type (Immediate), J-Type (Sprung).
5. R0 ist konstant 0. Schreiben darauf hat keine Wirkung.
6. Der PC zeigt auf den nächsten Befehl.
1. Assembler und Compiler verwechseln. Der Assembler übersetzt 1:1 zu Maschinencode. Der Compiler übersetzt Hochsprache zu (oft vielen) Maschinenbefehlen.
2. Direkt auf Speicher rechnen. In einer Load-Store-Architektur (RISC) rechnet die ALU NUR mit Registern. Daten müssen erst per LW geladen werden.
3. rd bei I-Type suchen. I-Type hat kein rd-Feld, das Ziel ist rt. Nur R-Type hat rd.
4. R0 als normales Register nutzen. R0 ist fest 0 und lässt sich nicht überschreiben.
5. Immediate für ein Register halten. Der Immediate ist eine Konstante im Befehl selbst, kein Registerverweis.
6. Assembler für plattformunabhängig halten. Assembler ist CPU-spezifisch (ein Befehlssatz pro Architektur), Hochsprachen sind portabel.
Führe ein kleines Maschinenprogramm Schritt für Schritt aus. Beobachte den Program Counter (PC), die Registerwerte R0-R3 (R0 bleibt konstant 0) und für jeden Befehl die Format-Zerlegung (R-Type vs. I-Type) plus die Klartext-Wirkung.
Interaktive Visualisierung
Interaktive Komponente: probiere sie im Topic-Player oben aus.
Klausur-Tipp: Verfolge, wie der PC nach jedem Befehl weiterzählt und welches Zielregister sich ändert. Erkenne am Befehl, ob er R-Type (nur Register) oder I-Type (mit Immediate) ist.
6 Aufgaben zu Sprach-Ebenen, Befehlsarten und Formaten.
Klausurfragen mit Lösungen (6)
Antwort: Assembler ist die menschenlesbare 1:1-Darstellung der Maschinensprache
Erklärung: Assembler ist die symbolische, menschenlesbare 1:1-Darstellung der Maschinensprache: jeder Assembler-Befehl entspricht genau einem Maschinenwort (Bitmuster). Der Assembler (das Programm) übersetzt die Mnemonics in Bits. Ein Compiler dagegen macht aus einer Hochsprachen-Zeile oft viele Maschinenbefehle. Klausur-Grundbegriff.
Antwort: Nur Load (LW) und Store (SW)
Erklärung: In einer Load-Store-Architektur (typisch RISC) greifen NUR die Lade- (LW) und Speicher-Befehle (SW) auf den Hauptspeicher zu. Alle Rechenbefehle (ADD, SUB, ...) arbeiten ausschließlich auf Registern. Daten müssen also erst geladen werden, bevor man rechnet. Klausur-Kernprinzip.
Zuordnungen:
Erklärung: ADD: Register-Arithmetik. LW (load word): Daten aus dem Speicher in ein Register. BEQ (branch if equal): bedingter Sprung (Steuerfluss). ADDI: Addition mit einem Immediate-Konstanten. Die 3 Hauptarten: Arithmetik/Logik, Daten-Transfer, Verzweigung. Klausur-Pflicht-Zuordnung.
Typ: Zuordnung
Antwort: I-Type
Erklärung: Das I-Type-Format (Immediate) enthält ein Immediate-Feld für eine Konstante und wird für ADDI, LW, SW und Branches genutzt. R-Type arbeitet nur mit Registern (rs, rt, rd), J-Type enthält eine Sprungadresse. Klausur-Format-Wissen.
Antwort: Wahr
Erklärung: RICHTIG. In der MIPS-Konvention ist R0 ($zero) fest auf 0 verdrahtet. Schreibzugriffe darauf bleiben wirkungslos. Das ist praktisch: man kann es als Konstante 0 nutzen (z.B. ADDI R1, R0, 5 setzt R1 = 5). Klausur-Konvention.
Typ: Wahr/Falsch
Antwort: 10
Erklärung: Schritt für Schritt: R1 = R0 + 4 = 4. R2 = R0 + 6 = 6 (R0 ist 0). R3 = R1 + R2 = 4 + 6 = 10. Die ADDI-Befehle laden Konstanten über R0, der ADD-Befehl addiert die beiden Register. Klausur-Ausführungsaufgabe.
6 Klausur-Fragen zu Formaten, Adressierung und Übersetzung.
Klausurfragen mit Lösungen (6)
Antwort: Der Assembler übersetzt 1:1 zu Maschinencode, der Compiler übersetzt Hochsprache zu (oft vielen) Maschinenbefehlen
Erklärung: Der Assembler übersetzt Assembler-Mnemonics 1:1 in Maschinenbefehle (ein Befehl je Zeile). Der Compiler übersetzt eine Hochsprache (C, Java) in Maschinencode und erzeugt aus einer Zeile oft viele Befehle. Beide erzeugen am Ende Maschinencode, aber auf unterschiedlicher Abstraktionsebene. Klausur-Abgrenzung.
Antwort: Er enthält die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls
Erklärung: Der Program Counter (PC, Befehlszähler) enthält die Adresse des NÄCHSTEN auszuführenden Befehls. Nach jedem Befehl wird er erhöht (oder bei Sprüngen/Verzweigungen gesetzt). Er steuert den sequenziellen Programmablauf. Klausur-Kernbegriff.
Zuordnungen:
Erklärung: Immediate: der Wert steht direkt im Befehl. Register: der Operand ist ein Register. Basis + Offset: die Speicheradresse ergibt sich aus Registerinhalt plus Konstante (typisch für LW/SW). R-Type ist das Format ohne Immediate (nur Register). Klausur-Pflicht-Zuordnung.
Typ: Zuordnung
Antwort: rd (Zielregister)
Erklärung: Das R-Type-Format hat ein eigenes rd-Feld (Zielregister), z.B. bei ADD R3, R1, R2 ist rd = R3. Das I-Type-Format hat kein rd, dort dient rt als Ziel, dafür gibt es ein immediate-Feld. opcode und rs kommen in beiden vor. Klausur-Format-Detail.
Antwort: Falsch
Erklärung: FALSCH. Assembler ist CPU-spezifisch: jede Architektur (z.B. MIPS, RISC-V, ARM, x86) hat ihren eigenen Befehlssatz und ihre eigenen Register. Derselbe Assembler-Code läuft NICHT auf einer anderen Architektur. Plattformunabhängig sind nur Hochsprachen (mit passendem Compiler). Klausur-Stolperstein.
Typ: Wahr/Falsch
Antwort: Weil a und b erst per LW in Register geladen, dann addiert (ADD) und das Ergebnis per SW zurückgeschrieben werden muss
Erklärung: In einer Load-Store-Architektur rechnet die ALU nur mit Registern. Für c = a + b: LW lädt a in ein Register, LW lädt b, ADD addiert beide in ein Zielregister, SW schreibt das Ergebnis c in den Speicher zurück. Das sind 4 Befehle (2× LW, 1× ADD, 1× SW). Klausur-Transferfrage zum RISC-Prinzip.