Technische Universität Ilmenau .– Kernstück heutiger Computer – allein nicht einsatzfähig

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  • © IKS 2017 H.-D. Wuttke, K. Henke 14.12.2017 www.tu-ilmenau.de/iks 1

    Rechnerorganisation

    Mathematische Grundlagen (1) Boolesche Algebren: BMA, BAA (2,3) Kombinatorische Schaltungen (4,5) Automaten (6,7) Sequentielle Schaltungen (8) Programmierbare Strukturen (9) Rechneraufbau und ~funktion (10,11) Informationskodierung (12,13,14)

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    Rechneraufbau und ~funktion • Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems • Einführung in die 8086-Architektur

    – Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers – CPU-Architektur und Registerstruktur

    • Universalregister • Index- und Pointerregister • Flags • Segmentregister

    – Segment-Speichermodel – Grundlegende Befehle – Adressierungsarten

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    Rechneraufbau und ~funktion • Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems • Einführung in die 8086-Architektur

    – Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers – CPU-Architektur und Registerstruktur

    • Universalregister • Index- und Pointerregister • Flags • Segmentregister

    – Segment-Speichermodel – Grundlegende Befehle – Adressierungsarten

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    Begriffe • CPU (Central Processing Unit)

    – Rechenwerk (ALU) mit Registern + Steuerwerk • Mikroprozessor

    – CPU + Bus (Schnittstellen) – Kernstück heutiger Computer – allein nicht einsatzfähig

    • Mikrocomputer (Mikrorechner) – enthält einen Mikroprozessor, der über den Systembus mit Speicher, E/A-

    Bausteinen (Peripherie) verbunden ist – Spezialfälle:

    • Ein-Chip-Mikrorechner (EMR) – alle Komponenten befinden sich auf einem Chip

    • Ein-Platinen-Mikrocomputer – alle Komponenten befinden sich auf einer Platine

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    Begriffe • Mikrocontroller

    – enthalten gegenüber Mikroprozessoren zusätzliche Elemente, (z.B. Timer, A/D-Wandler, UART, SPI/I2C-Controller)

    – werden meist in Eingebetteten Systemen (embedded systems) eingesetzt, d.h. keine direkte Steuerung durch den Nutzer

    – begrenzter Arbeitsspeicher, meist keine Massenspeicher • Digitaler Signalprozessor (DSP)

    – spezielle Prozessoren für spezielle Anwendungen – Rechner enthalten heute meist mehrere Signalprozessoren (z.B. für

    Netzwerkanbindung) • Weitere Spezialprozessoren (Auswahl):

    – Numerische Co-Prozessoren – Grafikcontroller – DMA-Controller – I/O-Prozessoren – Interruptcontroller

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    Ein-Platinen-Computer: PC104-Serie

    • Low-Power Pentium III • 700 MHz • 32MByte Video-RAM • 512 MByte SDRAM • Anschlüsse:

    - 2 x USB, - 2 x COM, - LPT, - FDD, - EIDE, - Keyboard - PS/2-Mouse

    MOPSlcd7 der Firma Contron

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    Ein-Platinen-Computer: Card-PC

    Card-PC‘s der Firma Epson

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    Ein-Platinen-Computer: Card-PC

    CPU: Intel 80486DX4

    Clock speed: 40/75/100 MHz

    RAM: 4/8/16/32 MB

    BIOS FLASH: 256 KB

    VRAM: 512KB

    CARD-486DX4 der Firma Epson

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    Ein-Platinen-Computer: Card-PC

    CARD-E09A (Epson)

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    Ein-Platinen-Computer: VIA

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    Ein-Platinen-Computer: VIA

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    Ein-Platinen-Computer: VIA

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    Mini-PC

    Arduino ATmega 328

    14 digitale Ein- / Ausgänge (6 davon können als PWM Kanäle genutzt werden), 6 analoge Eingänge, ein 16 MHz Quartz, USB Schnittstelle, einen 6 poligen ISP Anschluss und einen Reset Taster; einfache Verb. über USB Kabel mit dem PC; Betrieb mit Netzteil oder Akku

    Raspberry Pi 2 (B) Quadcore CPU, 1 GB Ram

    HDMI, USB, LAN, Audio, Quad-Core ARM Cortex-A7 Prozessor mit 900 MHz und integrierter Grafikeinheit; 4 USB-Anschlüsse; Kamera- und Displayinterface

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    Rechneraufbau und ~funktion • Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems • Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers • Einführung in die 8086-Architektur

    – CPU-Architektur und Registerstruktur • Universalregister • Index- und Pointerregister • Flags • Segmentregister

    – Segment-Speichermodel – Grundlegende Befehle – Adressierungsarten

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    Schichtenmodell eines Rechnersystems • Anwendungsprogramme

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    Schichtenmodell eines Rechnersystems • Anwendungsprogramme

    • Höhere Programmiersprachen

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    Schichtenmodell eines Rechnersystems • Anwendungsprogramme

    • Höhere Programmiersprachen

    • Assemblersprachen, Maschinencode

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    Schichtenmodell eines Rechnersystems • Anwendungsprogramme

    • Höhere Programmiersprachen

    • Assemblersprachen, Maschinencode

    • Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung

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    Schichtenmodell eines Rechnersystems • Anwendungsprogramme

    • Höhere Programmiersprachen

    • Assemblersprachen, Maschinencode

    • Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung

    • Funktionseinheiten (ALU, Speicher, ...)

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    Schichtenmodell eines Rechnersystems • Anwendungsprogramme

    • Höhere Programmiersprachen

    • Assemblersprachen, Maschinencode

    • Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung

    • Funktionseinheiten (ALU, Speicher, ...)

    • Logik-Gatter

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    Schichtenmodell eines Rechnersystems • Anwendungsprogramme

    • Höhere Programmiersprachen

    • Assemblersprachen, Maschinencode

    • Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung

    • Funktionseinheiten (ALU, Speicher, ...)

    • Logik-Gatter

    • Transistoren und Verbindungen

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    Rechneraufbau und ~funktion • Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems • Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers • Einführung in die 8086-Architektur

    – CPU-Architektur und Registerstruktur • Universalregister • Index- und Pointerregister • Flags • Segmentregister

    – Segment-Speichermodel – Grundlegende Befehle – Adressierungsarten

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    Aufbau eines Universalrechners

    CPU

    ALU

    CU

    Haupt- Speicher

    VerarbeitungEingabe Ausgabe

    • Tastatur, • Maus, • Scanner

    • Monitor, • Drucker

    Externer Speicher HD, CD, DVD, USB-Stick

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    Aufbau eines Universalrechners

    Systembus

    CPU ROM RAM DMA

    Datenbus

    Adressbus

    Steuerbus

    Schnittstelle

    I/O - Gerät

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    Grundlegende Rechnerarchitekturen von Neumann-Architektur

    1. Rechner besteht aus 4 Werken: Arithmetische Recheneinheit (ALU), Steuereinheit (CU), Arbeitsspeicher, Ein-/Ausgabeeinheiten, alle Daten sind binär codiert

    2. Rechnerarchitektur keine Funktion der Problemstruktur - neues Problem - neues Programm!

    3. gemeinsamer Speicher für Daten UND Programm 4. Hauptspeicher: fortlaufend nummerierte Speicherzellen gleicher Größe,

    Speicherzellinhalt: unstrukturierte Bitketten 5. Programm: Folge von Befehlen aus dem Befehlssatz des Rechners; Prinzip der

    Sequentialität 6. Von der sequentiellen Abarbeitung kann durch Sprungbefehle abgewichen

    werden.

    Vorteile: - hohe Transparenz der Abarbeitung - Befehle und Daten manipulierbar - gut für Entwicklungssysteme - dominierende Architektur für min.

    Hardwareaufwand

    Nachteile: - unstrukturierte Speicherzellinhalte - nur seque