1 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 THEMA Prozessoren.

1 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

THEMA

Prozessoren


Gliederung Gliederung

• Wiederholung• Begriffsdefinitionen

• Weitere Begriffsdefinitionen• Verschiedene Speichermedien• Bus / Bussysteme• Ein-Ausgabe-Prozessor• Mikroprozessoren im Vergleich• Benchmark / OEM• Assembler Befehle


Grundlagen

Wiederholung

• Adressraum• Multiplexing des Daten- und Adressbusses• Pinbelegung der 8086/8088 CPUs• EU / BIU / ALU• Eigenschaften und Aufgaben von EU und BIU• Register / Funktionsgruppen• Statusflags, Kontrollflags


Grundlagen

Wiederholung

• Aufbau des Zentralprozessors• Zentralprozessor, Leitwerk, Rechenwerk• Bussystem eines Mikrorechners• Prozessor CPU: Rechenwerk, Steuerwerk, Register• Arbeitszyklen: Fetch, Read, Execute, Write• CISC, RISC


Zentralprozessor

Prozessor, Hardwareeinheit für Steuerung undDatenmanipulation.Ein Prozessor besteht mindestens aus:

Leitwerk Rechenwerk, Registern und meistens der Eingabe-/Ausgabe-Steuerung

Wiederholung / Begriffsdefinitionen


Leitwerk

Das Leitwerk nimmt Koordinationsfunktionen für die gesamte EDVA wahr. Es steuert den Ablauf des Befehls-und Datenflusses und bestimmt einen Taktgeber dieProgrammablaufgeschwindigkeit. Es besteht aus logischenSchaltungen und Registern.



Rechenwerk

Das Rechenwerk, der andere Teil des Zentralprozessors,verknüpft die vom Leitwerk bezeichneten Daten. Hierwerden arithmetische und logische Operationen(Vergleichen, Verschieben, Vorzeichenbestimmung,Umformen, Runden) durchgeführt. Das Rechenwerkarbeitet entweder mit rein dualen Zahlen oder ziffernweisedual codierten Dezimalzahlen. Aus technisch bedingtenVereinfachungsgründen werden in der RegelRechenoperationen in elementare Additionen aufgelöst.

Schaubild nächste Folie



Aufbau des Zentralprozessors

Befehls-register

Befehls-zähler

Befehls- Operationen-decodierer steuerung

Takt-geber

Status-register

Befehle vom Arbeitsspeicher

Leitwerk Rechenwerk

Daten vom oder zum Arbeitsspeicher

Register(für Operandenu. Ergebnisse)

Akku-mulator

A L U

Befehlsadressenan den Arbeitsspeicher

interne Adressen

Prozessor-

Prozessor- interne Steuer- signale

Steuersignale zu und vonprozessorexternen Einheiten



Zwei verschiedene CPU-Klassen

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) Kleiner Maschinenbefehlsvorrat (ca. 70 - 100). Sehr schnell, da Befehle nur 1-4 Taktzyklen zur Ausführung brauchen.

• CISC (Complex Instruction Set Computer) Großer Vorrat an komplexen Maschinenbefehlen (ca. 150 - 250). Instruktionen können über viele Taktzyklen gehen



Arbeitszyklen der 8086/8088-Prozessoren

Fetch Ein Maschinenbefehl wird aus dem Arbeitsspeicher in den Prozessor geholt.

(Read) Falls der Maschinenbefehl einen Speicher- operanden benötigt, wird dieser aus dem Arbeitsspeicher eingelesen.

Execute Der Befehl wird ausgeführt.

(Write) Falls ein Ergebnisoperand im Arbeitsspeicher abgelegt werden muss, wird er jetzt in den Arbeitsspeicher geschrieben.



Zentraleinheit

Zentraleinheit umfasst den oder die

Zentralprozessoren

und den

Arbeitsspeicher.

Alles was nicht zu der Zentraleinheit gehört, bezeichnet man

als Peripherie (periphere Einheit).

Begriffsdefinitionen


Speichermedien / -arten

• Arbeitsspeicher

• Pufferspeicher

• Registerspeicher

• Mikroprogrammspeicher

• Erweiterungsspeicher

• Magnetplattenspeicher

• Optischer Plattenspeicher



Zentralspeicher

Zentralspeicher sind in der Zentraleinheit befindliche

Speicher, zu denen der bzw. die zentralen Prozessoren und

gegebenenfalls EA-Prozessoren unmittelbar Zugang haben.




Zentralspeicher

ArbeitsspeicherPuffer-speicher

RegisterMikro-programm-speicher

Serviceprozessor

RegisterMikro-programm-speicher

Konsolprozessor

Mikro-programm-speicher

Zentralprozessor

Register____________________________________________

Mikro-programm-speicher

Ein-Ausgabe-Prozessor

Register____________________________________________



Arbeitsspeicher

Im Arbeitsspeicher werden die laufenden Programme unddie von diesem benötigten Daten gehalten. Aus ihmentnimmt der Zentralprozessor beim Programmablaufschrittweise die Befehle und die in den Befehlenadressierten Daten, führt die verlangten Operationen ausund gibt deren Ergebnisse an den Arbeitsspeicher zurück.



Pufferspeicher

Ein Puffer ist ein Speicher, der Daten vorübergehend aufnimmt, die von einer Funktionseinheit zu einer anderen übertragen werden.




Datenfluss beim Lesen im Pufferspeicher und im Arbeitsspeicher


Arbeitsspeicher

Zentralprozessor

0

63

8 Pufferspeicherbänke2 KB

32 Bytes

8 Bytes


Registerspeicher

Register sind Bestandteile des Prozessors. Sie haben jeweils eine beschränkte Kapazität von einem Wort (2Byte) in seltenen Fällen auch von einem Byte. Bei Bedarf können zwei Register zur Speicherung eines Doppelwortes gekoppelt werden. Register kommen an vielen Stellen von EDVA einzeln vor; insgesamt haben sie eine sehr geringe Kapazität. Sie dienen zur kurzzeitigen Speicherung von Angaben, die sofort wieder greifbar sein müssen.



Mikroprogrammspeicher

Die Befehle sind in einem Rechner entweder << fest verdrahtet >>, oder sie werden ausMikroinstruktionen erzeugt, die im Mikroprogrammspeicher zur Verfügung stehen. Die Zugriffszeit liegt bei den leistungsstärkeren Großrechnern im Bereich von unter 10 ns, bei kleineren Rechnern ist sie bis zehnmal so hoch.



Speicherhierarchie

Re-gister

Puffer-speicher

Arbeitsspeicher

Erweiterungsspeicher

Magnetplattenspeicher

Optischer Plattenspeicher

Abn

ehm

ende

Zug

riffs

zeit

Zunehmende K

apazität

abnehmende K

osten pro Bit



Virtuelle Speicherverwaltung

Die virtuelle Speicherverwaltung wird verwendet, um einen

Mangel an realem physischen Arbeitsspeicher auszugleichen.

Es existieren zwei Verfahren:

• Paging• Swapping



Demand Paging

Bei virtuellen Systemen braucht ein Programm eines aktiven

Prozesses nicht vollständig im Hauptspeicher vorzuliegen.

Ein externer Plattenspeicher dient als sogenannter virtueller

Speicher (paging area). Der virtuelle und der physikalische

Speicher werden in Seiten (engl.: pages; 1-4 KB) eingeteilt

und je nach Bedarf (engl.: demand) werden Seiten ein- und

ausgelagert.


Swapping

Ist der Speicherplatz trotz Paging nicht ausreichend, oder

werden zu oft Seiten ein- und ausgelagert, können ganze

Prozesse auf einen externen Speicher (swap area)

ausgelagert werden. Dies wird vom Prozess 0 (swapper)

durchgeführt, der beim Systemstart erzeugt wird.


Virtuelle Speichertechnik


Virtueller Speicher

Seite

Realer Speicher

Ablaufteil undresidente Programme

Seiten-wechsel-bereich

ständig belegter Bereich

Seite

Seiten-wechsel



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Bus

Ein Bus ist ein Verbindungssystem zwischen digitalen Schaltwerken, das von allen angeschlossenen Einheiten (Teilnehmern) gemeinsam genutzt wird.



Bussysteme

Innerhalb der Zentraleinheit unterscheidet man je nach Art der transportierten Informationen den Datenbus, den Adressbus und den Steuerbus. Ein Bus, der Prozessor(en), Arbeitsspeicher und Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle verbindet, heißt externer Bus und dient zur Kommunikation der internen Einheiten des Prozessors (zwischen Leitwerk, Rechenwerk und deren Registern).




_________externer Steuerbus_______________ externer Adressbusexterner Datenbus

Bussystem eines Mikrorechners

Leit-werk

Rechen-werk

Zentralprozessor

prozessorientierter Datenbus

prozessorientierter Steuerbus

prozessorientierter Adressbus

ROM

RAM

E/A- ProzessorKonsolprozessorServiceprozessor

Zusatz-prozessor (en)

Arbeitsspeicher

Treibereinheit /Puffer



Steuereinheit


Die Steuereinheit reglementiert und überwacht den Datentransfer, sie schaltet Komponenten ein und aus und übernimmt teilweise Verarbeitungsfunktionen (z.B. Zwischen-speicherung). Hierzu werden heutzutage regelmäßig Mikroprozessoren verwendet, die mit einem Mikroprogrammspeicher arbeiten. Damit ist eine flexible Anpassung an sich wandelnde Gerätespezifikationen und Anwendungsbedingungen möglich.


Ein-Ausgabe-Prozessor

Der Ein-Ausgabe-Prozessor ist eine Funktionseinheit innerhalb der Zentraleinheit, die das Übertragen von Daten zwischen den peripheren Einheiten und dem Arbeitsspeicher selbständig steuert und dabei die Daten gegebenenfalls modifiziert.




Ein-Ausgabegeräte


Zentraleinheiten Steuereinheiten Ein-Ausgabegerätebzw. Rechnerverbund

Arbeitsspeicher

Zentral-pro-

zessor

EA-Pro-zes-

soren

Kanäle

Arbeitsspeicher

Zentral-pro-

zessor

EA-Pro-zes-

soren

Kanäle

Verbind-ungs-einheit

Terminalsteuer-einheit

Magnetband-steuereinheit

Magnetplatten-steuereinheit

Optische Platten-steuereinheit

Terminalsteuer-einheit

Verbind-ungs-einheit

Bildschirmgeräte

Magnetbänder

Magnetplattengeräte

Optische Plattengeräte

Drucker

usw.

--------LAN-------

Großrechner

Abteilungsrechner

Arbeitsplatzrechner


Mikroprozessoren von Intel


Prozessor 8086 8088 80286 80386DX 80386SX 80486DX 80486SX

interne Datenbusbreite

16 16 16 32 32 32 32

externe Datenbusbreite

16 8 16 32 16 32 32

Adreßbusbreite 20 20 24 32 24 32 32

Adreßbereich in MB 1 1 16 4096 16 4096 4096 virtuelle Speicherverwaltung

nein nein ja ja ja ja ja

Multitaskingunter- stützung

nein nein nein ja ja ja ja

internes Datencache nein nein nein nein nein nein nein internes Befehlscache

nein nein nein nein nein 8 KB 8 KB

integrierter Coprozessor

nein nein nein nein nein ja nein

maximale Taktfrequenz in MHz

12 16 25 33 25 50 20

Leistung in Mips < 1 0,66 1,5 8 4 40 12


Mikroprozessoren von Intel


Prozessor Pentium Pentiu Pro Pentium MMX Pentium II

interne Datenbusbreite 64 64 64 64 externe Datenbusbreite 64 64 64 64 Adreßbusbreite 32 64 64 64

Adreßbereich in MB 4000 64000 64000 64000 virtuelle Speicherverwaltung ja ja ja ja Multitaskingunterstützung ja ja ja ja internes Datencache ja ja ja ja

internes Befehlscache ja ja ja ja

integrierter Coprozessor ja ja ja ja maximale Taktfrequenz in MHz 200 200 233 450 Leistung in Mips 110 150 110 366


Benchmark


Ein Benchmark bzw. Benchmarktest dient zur Leistungs-vermögensanalyse von EDVA. Er besteht aus Programmenim Quellcode, die für die zu vergleichenden Rechnerübersetzt und zur Ausführung gebracht werden. Dabeiwerden die Ausführungszeichen (Durchsatz, Antwortzeit)gemessen und verglichen. Standardbenchmarks sindkünstliche, das heißt real nicht verwendete Programme fürMess- und Beurteilungszwecke von Teilleistungen bzw.Gesamtleistungen von EDVA.


OEM


OEM Abkürzung für << original equipment manufacturer >>

bzw. << other equipment manufacturer >>. Man versteht darunter einen EDV-Hersteller, der Geräte oderauch Komponenten von anderen EDV-Herstellern beziehtund diese in eigenen Anlagen unter eigenem Namenvertreibt. Meist bietet er dabei einen Zusatznutzen in Formspezieller Software, Firmware oder Hardware; OEMs werdenin diesem Sinne auch als VARs (Abkürzung von engl.: valueadded resellers) bezeichnet.


Das Zeitverhalten


Die Zeit, die der Prozessor braucht, um einen Befehl auszuführen, wird von mehreren Faktoren bestimmt.

1. Der Taktfrequenz2. Der Anzahl der Taktzyklen, die für einen Befehl benötigt

werden3. Der Anzahl der Taktzyklen, die zusätzlich benötigt

werden, um falls erforderlich die effektive Adresse (EA) eines Speicheroperanden zu bilden.


Die Taktfrequenz


Bei 5 MHz beträgt die Zeit für einen Taktzyklus ca. 200 Nanosekunden, bei 8 MHz beträgt sie ca. 125 Nanosekunden. 1 Nanosekunde = 10-9 Sekunden

Der 8088-Prozessor im IBM-PC z. B. arbeitet mit einerTaktfrequenz von 4,77 MHz. Ein Taktzyklus dauert bei diesen PC‘s somit ca. 210 ns


Beispiel Assemblerbefehle ADD


ADD (Addition), addiert die zwei Operanden und speichertdas Ergebnis im Bestimmungsoperanden (dem linkenOperanden) ab.Erlaubte Operandenpaare sind:

LIOP Akku Reg Sreg Speicher Direktwert

Akku ja ja nein ja ja

Reg ja ja nein ja ja

Sreg nein nein nein nein

Speicher ja ja nein nein ja

REOP




Operationen: Die Summe der beiden Operanden wird imBestimmungsoperand (LIOP) abgelegt.

Flags: O D I T S Z A P CX - -- - X X X X X

(LIOP)(LIOP) + (REOP)




Register nach RegisterMaschinencode:

Zeit: 3 TakteBeispiele:

03 C6 ADD AX,SI03 FB ADD DI,BX02 EB ADD CH,BL02 E0 ADD AH,AL

w = 0 für 8 Bitw = 1 für 16 Bit0000 001w 11regreg




Speicher nach RegisterMaschinencode:

Zeit: 9 Takte + EA TakteBeispiele:

03 16 ADD DX,Wort_Var03 85 ADD AX,Wort_TAB[DI]02 80 ADD AL,Byte_TAB[BX+SI]02 2F ADD CH,[BX]

w = 0 für 8 Bitw = 1 für 16 Bit0000 001w mod reg r/m adr-low adr-high




Register nach SpeicherMaschinencode:

Zeit: 16 + EA TakteBeispiele:

01 16 ADD Wort,DX01 84 ADD Wort_TAB[DI],AX00 10 ADD [BX+SI],DL01 1F ADD [BX],BX

w = 0 für 8 Bitw = 1 für 16 Bit

0000 000w mod reg r/m adr-low adr-high




Direktwert nach AkkumulatorMaschinencode:

Zeit: 4 TakteBeispiele:

04 03 ADD AL,305 1234 ADD AX,1234h05 0005 ADD AX,EQUATE_WERT04 05 ADD AL,EQUATE_WERT

w = 0 für 8 Bit und ALw = 1 für 16 Bit und AX

0000 010w data-low data-high


Beispiel: Assembler UHR.asm


lesen: mov ah,02h ;Zeit auslesen int 1ah ;ch:Stunde,cl:Minute,dh:Sekunde mov stunden,ch mov minuten,cl mov sekunden,dh

mov rel_pos,0 ;relative Position jetzt noch null xor ax,ax mov al,stunden call Bcd_aus ;Ausgabe der Stunden

mov ax,videosegmov es,axmov si,pos

add si,word ptr rel_pos ;Ausgabe de Doppelpunktes mov byte ptr es:[si],':'

mov byte ptr es:[si+1],attr add rel_pos,2 ;Position einen weiter. 1. Byte ASCII-Code ;2.Byte Attribut xor ax,ax mov al,minuten call Bcd_aus

mov ax,videoseg mov es,ax

mov si,posadd si,word ptr rel_pos

mov byte ptr es:[si],':'mov byte ptr es:[si+1],attr

add rel_pos,2

xor ax,ax mov al,sekunden call Bcd_aus

pop ds pop es pop si pop di pop dx pop cx pop bx pop ax iretmarke endp

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