Download pdf - Technische Universität Ilmenau · – Kernstück heutiger Computer – allein nicht einsatzfähig • Mikrocomputer (Mikrorechner) – enthält einen Mikroprozessor, der über den

© IKS 2017H.-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)


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


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



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


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


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


Ein-Platinen-Computer: Card-PC

Card-PC‘s der Firma Epson



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



CARD-E09A (Epson)


Ein-Platinen-Computer: VIA






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


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



Schichtenmodell eines Rechnersystems• Anwendungsprogramme



• Höhere Programmiersprachen




• Assemblersprachen, Maschinencode





• Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung






• Funktionseinheiten (ALU, Speicher, ...)







• Logik-Gatter







• Logik-Gatter

• Transistoren und Verbindungen






Aufbau eines Universalrechners

CPU

ALU

CU

Haupt-Speicher

VerarbeitungEingabe Ausgabe

• Tastatur,• Maus,• Scanner

• Monitor,• Drucker

Externer SpeicherHD, CD, DVD, USB-Stick


Aufbau eines Universalrechners

Systembus

CPU ROM RAM DMA

Datenbus

Adressbus

Steuerbus

Schnittstelle

I/O - Gerät


Grundlegende Rechnerarchitekturenvon 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 Programm4. Hauptspeicher: fortlaufend nummerierte Speicherzellen gleicher Größe,

Speicherzellinhalt: unstrukturierte Bitketten5. Programm: Folge von Befehlen aus dem Befehlssatz des Rechners; Prinzip der

Sequentialität6. 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 sequentieller Zugriff auf Programm

und Daten- einheitliche Speicherwortlänge- geringe HW-Effektivität- von Neumann - Flaschenhals


Grundlegende RechnerarchitekturenHavard-Architektur

Nachteile der v.Neumann-Architektur führten zur Entwicklung derHavard-Architektur mit den wesentlichen Merkmalen:1. Daten und Befehle in getrennten Arbeitsspeichern2. getrennter Befehls- und Datenbus

Vorteile:• parallele Bereitstellung von Daten und Befehlen• Verkürzung der Befehlsabarbeitungszeit (während Befehls-

abarbeitung kann nächster Befehl geholt werden)• Optimierung der Daten- und Befehlswortlängen möglich

Nachteile:• höherer Hardwareaufwand• Programme während Abarbeitung nicht manipulierbar

Anwendungen:• Einchiprechner, Mikrorechner• internes Konzept moderner Prozessoren (getrennte Cache-Speicher)• erster Vertreter: Mark I von Aiken (1944)


Grundlegende Rechnerarchitekturen


Grundlegende Rechnerarchitekturen






Intel x86 Generationen

Quelle: c`t 13/2003/90 ffLesetipp: c‘t 13/2003 S.90, 92, 96 – 25 Jahre Intel Prozessoren



Quelle: c`t 13/2003/90 ff


Intel x86 GenerationenIntel 80486DX2 (66 Mhz)

Einführung 1989, Markt dominierend 1992 – 951000 nm, 1,2 Mill. Transistoren, arbeitete ohne Kühlung,

typisches System zu der Zeit: 120-MB-Festplatte, 4 MB Hauptspeicher, VGA-Grafikkarte; Betriebssystem MS-DOS 5.0 mit Windows 3.1 als grafische Benutzeroberfläche.





1

2

4

5

6

3 1 - Cache2 - Kommunikation3 - ALU4 - Cache5 - Befehlsqueue6 - Datenqueue

Quelle: Spektrum der WissenschaftDossier Rechnerarchitekturen 4/2000

Layout eines Intel P III

1999 - 2002, 450 .. 1400 MHz Takt, 130 .. 250 nmTechnologie










Intel x86 GenerationenIntel Skylake (8/2015)

• 14nm Prozess• Unterstützung für

DDR3 und DDR4-RAM• Sockel 1151• 51 verfügbare

Varianten! • Verbesserungen vor

allem im Grafik-bereich – 1152 Gflops für bis zu 3 4k-Displays

• 4,5 bis 91W Verlust-leistung

• 2/4 Kerne• 2/3/4/6/8 MB Cache• USB 3.1 Unter-stützung

(Z170)

Quelle: Intel


Intel x86 GenerationenIntel Kaby Lake (3.Q/2016)

14nm - Technologie


Direkt verwaltbare Adressräume

Adresslänge (bit)

MöglicheSpeichergröße

Beispiel

16 64 kByte Z 80

20 1 MByte 8086

24 16 MByte 80286, Motorola 6800, 68010

32 4 GByte 80386, Sparc-Proz., Motorola 68020

36 64 GByte mögl. Mode bei Pentium Pro

40 1 TByte alle 64 Bit Prozessoren

48 256 TByte noch nicht üblich


8086-Architektur

Quelle: Wikipedia

1978 bis 1990er


8086


8086-Architektur






CPU-Architektur - ALU


CPU-Architektur - ALU


CPU-Architektur - Steuerwerk





Befehl aus Speicher holen

Befehl dekodieren

Lesen der weiteren Bytes des Befehls

Befehlsausführung• Bereitstellung der Operanden

• Verarbeiten in der ALU• Ergebnisse abspeichern

Befehl komplett ?ja

nein

1

2

3

4


CPU-Architektur - Steuerwerk Aufbau eines Maschinenbefehls (8086)

Code Adr-Mode Disp-low Disp-high data-low data-high

Op-Code d w MD REG R/M

Byte 1 Byte 6

Register od. SpeicherRegisterAdressmodusLänge Byte/WortRichtungBefehlscode

Disp = Displacement6 Bit 1 1 2 Bit 3 Bit 3 Bit


CPU-Architektur - Steuerwerk Beispiele für unterschiedlich lange Befehle• CLC F8 H• MOV AL,12H B0 12 H• MOV AX,1234H B8 34 12 H• MOV [0003H],12H C6 06 03 00 12 H• MOV [0003H],1234H C7 06 03 00 34 12 H

Little Endian Kodierung: das Byte, welches das LSB enthält, wird zuerst abgespeichert






CPU-Architektur - Registersatz 8086


CPU-Architektur – Registersatz 8086

1. Allgemeine Datenregister

2. Indexregister

3. Zeigerregister

4. Befehlszeiger und Flags

5. Segmentregister


CPU-Architektur – Registersatz 8086

ALBLCL

AHBHCHDH DL

BPSIDISP

EAXEBXECXEDXEBPESIEDIESP

015 731

AHBH

ALBL

CH CLDH DL

BPSIDISP

15 07

AXBXCXDX

CSDSSSES

CSDSSSESFSGS

Vielzweckregister Vielzweckregister

Segmentregister

Segmentregister

Befehlszähler

Flag-RegisterFlags Flags

IP IPEIP

E-Flags

bis 80286 ab 80386

015

15 0

15 0 15 031


Das war‘s für heute ...

Viel Spaß beim Wiederholen!Bis nächsten Donnerstag 15.00 ...