Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan. 2004 CPU (Central Processor Unit) Referat von: Sebastian, Serhat und Eren Technische Wissenschaften

Berufl. Gymnasium GG

Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004 © 2004 Sebi

CPU(Central Processor Unit)

Referat von:Sebastian, Serhat und Eren

Technische Wissenschaften


© 2004 SebiKlasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

Gliederung

Geschichte der CPU

– Miniaturisierung

– CPU Hersteller und Rechner

– µProcessor CPU

– Zukünftige Entwicklung: Biologische CPU

Aufbau der CPU

– Allgemeiner Aufbau

– Zusammenspiel CPU und Peripherie

– CISC - RISC

Funktionsweise der CPU

– Zentraleinheit

– Register

– Befehlsausführung



Geschichte der CPU

– Miniaturisierung– CPU‘s und Rechner– µProcessor CPU– Biologische CPU

Serhat Imrag



Miniaturisierung

SSI Small Scale Integration

1-10 Transitoren/Chip

MSI Medium 10-500

LSI Large 500-10000

VLSI Very > 10000

SLSI Super > 50000



Entwicklung der LSI-Technik

UART

Universal Asynchronous Receivers Transistor

Speicher, RAM, ROMLSI

UART und Schieberegister

Tisch und Taschenrechner

Mikroprozessor

Support Chips

LSI-Interfaces

Mikrocontroller

Mikrocomputer



CPU-Hersteller und Rechner

Hersteller

IBM

HP

Digital

SUN

Intel

Motorola

AMD

Transmeta

…

Rechner

/370, Power

HP-RISC

Eclipse, Alpha

Sparc

PC’s

Apple

PC’s

Pocket

…



Die ersten 20 Jahre der CPU: µProcessor

1971 Intel 4004: erster Mikroprozessor mit 4-Bit Datenbreite (2.300 Transistoren)

1974 Motorola 6800: erste vollwertige CPU mit 8-Bit Datenbreite; eigene Architektur(68x-) mit nicht-Intel-kompatiblem Befehlssatz (4.100 Transistoren)

1975 Intel 8080: erste vollwertige Intel-CPU mit 8-Bit Datenbreite; Einsatz im ersten"Home-Computer", dem Altair 8800 (6.000 Transistoren)

1977 Weiternetwicklung der Motorola 6800-CPU; gilt als bester 8- Bit Mikroprozessor überhaupt (6.809 Transistoren)

1985 Intel 80386: erste 32-Bit-CPU in Intel-Spezifikation; sie kann als erste CPU mehrere Programme gleichzeitig verarbeiten (Multitasking, 275.000

Transistoren)

1989 Intel 80486: integriert mathematischen Co-Prozessor; 4 mal so vieleTransistoren wie beim 80386 (1.180.000 Transistoren)

1989 Motorola 68040: mit integrierter Fließ-Komma-Einheit und getrenntem Cache (Speicher) für Befehle und Daten (1.200.000 Transistoren)

1991 AMD 386 DX: erster AMD-Klon einer Intel-CPU; geringere Transistorenzahl und höhere Taktfrequenz; dem Original teilweise überlegen (200.000 Transistoren)



CPU-Leistungsentwicklung

0

50

100

150

200

250

300

486/K5 P II Itanium/Opteron

Intel

AMD

Mio.Transistoren/CPU-Die



Aufbau der CPU

– Allgemeiner Aufbau

– Zusammenspiel CPU und Peripherie

– CISC – RISC CPUen

Eren Metin Elci



Definition µP-CPU

Comptersystem: 5 Funktionseinheiten

µProzessor: ist eine LSI-Baustein, der die meisten Funktionen eines traditionellen Prozessors auf einem einzigen Chip vereinigt

Steuereinheit

ALU

Speicher

Eingabe Ausgabe

CPU



Moderner Aufbau einer µP-CPU

Control Unit: a

Processing Unit: b

Cache Unit: c

Chipset: d

Interner Bus e

Externer Bus f



Erläuterung der CPU-Funktionsblöcke



Internes Bussystem eines Rechners



Rechnerbausteine

CPU

RAM

ROM

Peripherie

DMA

Taktgeber

Chipset

Steuerbus

Adressbus

Datenbus



Datenflussdiagramm

Arbeitsablauf der einzelnen Rechner- Komponenten



Heutige CPU GenerationenPOWER4 Floorplan

CPU Building Block

>35GB/s

Chip

Interconnect

Itenium Floorplan



Register-Bitbreite und Speicheradressen

CPU

(bit)

Physikalische

Adressbreite/

Register (bit)

Virtueller/Adressierbarer Speicher (Byte)

i80xx

i286

Pentium

Itanium

8

16

32

64

8

16

32

64

64 kB

2 GB

8 TB

K5

Athlon, 64

Opteron

16

32/64

64

16

32

48/40

2 GB,4 GB/1TB

256 TB / 1 TB



Funktionsweise der CPU

– Zentraleinheit – Register– Steuereinheiten– Befehlsausführung

Sebastian Biewer



Die CPU Komponenten

CPU-Register

Verwendung der CPU-Register

Arithmetik- und Logik-Einheit (ALU)

Kontrolleinheit (CU)

Buffer-Register (BR)

Zustands-Bits (Status Flag SF)

Befehlsausführung



Einfaches Modell der CPU

ALU-Operation:

1. Binäre Operation

2. Boolsche Algebra

3. Komplementbildung eines Datenwortes

4. Verschieben

Daten-B

us Steuereinheit

A

BRPZ

DZStatus-Flag

Verschiebung

Komplement

Addition und

Boolsche Algebra

Bufferregister

ALU

Steuerleitungen

Register



CPU Komponenten

ALU Bedeutung

Register

Interne CPU Steuereinheit

Interner CPU-Datenbus

Bufferregister



Die Register der CPU

Register Bitmuster Abkürzung

Akkumulator 8-bit A

Datenzähler 16-bit DZ - Adressen

Befehlsregister 8-bit BR - Befehle

Programmzähler 16-bit PZ – Adresszähler des Programms

76543210

76543210

15 . . . 876543210

15 . . . 876543210



Register

Die Register sind die direktesten Speicher-Elemente in der CPU

Ein Register ist eine Speichereinheit in der CPU

Ein einzelnes Datenwort kann darin abgelegt werden

Ein Register ist die kleinste Speichereinheit auf dem Chip

Der Zugriff auf den Registerinhalt erfolgt sehr schnell

Die Anzahl der Register variiert von ca. 10 bis zu einigen 100

Die Größe der Register ist abhängig von der CPU-Architektur (8-, 16-, 32- und 64-Bit-CPU). Die Bit-zahl gibt die Größe des Registers an, also wie groß das Datenwort sein kann

Register dienen als kurzzeitiger Zwischenspeicher für Daten/Adressen



Verwendung der Register der CPU Am Beispiel des Additionsprogramms

9C

0A

30

40

9C

0A

31

80

60

7A

2F

SpeicherAdresseAnfangszustand

0400

A

DZ

BR

PZ

0400

0401

0402

0403

0404

0405

0406

0407

0408

0409

0A30

0A31

Befehl 1

Befehl 2

Befehl 3

Befehl 4

Befehl 5

Programm-

speicher

Daten-

speicher

7A

9C0407

0A 31

A

DZ

BR

PZ

A9

600409

0A 31

A

DZ

BR

PZ

A9

800408

0A 31

A

DZ

BR

PZ

Vor Addition

Addition

Nach Addition



Stack (Bufferregister)

Der Stack dient als Zwischenspeicher

Der Befehl, der als letztes einging, wird als erstes verarbeitet– „Last In, First Out“ Prinzip

Im Stack kann nur ein weiterer Eintrag hinzugefügt werden, „push“, oder ein Eintrag entnommen werden, „pop“

Stacks finden Verwendung bei– Parameterübergaben– dem kurzzeitigen sichern von Daten– dem anlegen lokaler Variablen

BP Basepointer– Verwendung bei z.B. Parameterübergaben

SP Stackpointer– Der Stackpointer ist ein Zeiger oder Register, der auf die Speicheradresse des dem Stack

zuletzt hinzugefügten Elements zeigt



Interrupt

In der Regel wird der Interrupt durch ein elektrisches Signal einer Hardware ausgelöst, dem Interruptcontroller.

Der Prozessor unterbricht seine bisherige Arbeit und springt an eine vordefinierte Stelle, der Sprungadresse.

Nach dem Abarbeiten der Anforderung setzt der Prozessor sein Arbeit wieder an der Stelle wo unterbrochen wurde wieder fort.

Normalerweise werden in der Interruptverabeitung Informationen von der Hardware eingelesen und verarbeitet.

Das Betriebssystem hat die Möglichkeit, die Annahme von Interrupt- Requests zu unterbinden. Außerdem kann auch der Prozessor die Annahme verweigern.



Befehlssatz

Umsetzung der Mnemonik-Befehle der Register in den Binärcode in der ALU

Die Menge aller zur Verfügung stehenden Befehlsanweisungen.

Der Befehlssatz bei AMD und Intel CPUs unterscheiden sich

Es gibt bei den meisten Befehlen parallelen, aber jeder Hersteller stellt einige spezifische Befehle zur Verfügung, wie z.B. SSE, SSE2, MMX



Befehlszyklus

Der Befehlszyklus gibt die Reihenfolge an, mit der ein Befehl abgearbeitet wird

1. Der Befehl wird geladen (IF = Instruction Fetch)

2. Der Befehl wird decodiert und ein Register wird geladen (ID & RF= Instruction decode and register fetch)

3. Als nächstes werden dann ALU-Operationen ausgeführt (EXE = execution of ALU operation) und in den Speicher geschrieben (MEM = memory access)

4. anschließend wird das Ergebnis in ein entsprechendes Register

zurück geschrieben (WB = write back to register file). Über so genanntes Pipelining können mehrere Zyklen

gleichzeitig abgearbeitet werden



Register von 64 bit CPU’s

Itanium

Opteron



HOLD-Anforderung

Anhalten des Prozessors, damit z.B. direkte Speicherzugriffe DMA möglich sind



Flags

Vorzeichen und Überlauf Flag

Carry-Bit und Hilfscarry

Vorzeichen und Überlauf Flag

Zero Flag (Neuzustands Bit)

– Das Zero Flag wird auf “1” gesetzt, sobald eine Rechenoperation das Ergebnis “0” hat

– Das Zero Flag wird auf “0” gesetzt, sobald eine Rechenoperation ein Ergebnis ungleich “0” hat

Status Flag (Zustands Bits)

– Status Flags sind eine Einheit der ALU

– Können von der CPU gesetzt “Set” und rückgesetzt “Reset” werden: Flip-Flop

– Wird benutzt, um die Ergebnisse der ALU-Operation wiedergeben zu können

– Jeder binäre Logikteil, der nur 2 Zusände hat, wird als Status Flag bezeichnet



Referenzen

Einführung in die Mikrocomputer-Technik, Adam Osborne

Computerpartner

SPEC CPU2000

Internet: AMD, IBM, Intel



Appendix

CPU Tabellen AMD/Intel



CPU-Leistungsentwicklung (bei Intel)



CPU-Leistungsentwicklung (bei AMD)

Documents

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