CPU (Central Processor Unit)

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1 CPU (Central Processor Unit)
Referat von: Sebastian, Serhat und Eren Technische Wissenschaften Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

2 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 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

3 Geschichte der CPU Miniaturisierung CPU‘s und Rechner µProcessor CPU
Biologische CPU Serhat Imrag Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

4 Miniaturisierung SSI Small Scale Integration 1-10 Transitoren/Chip MSI
Medium 10-500 LSI Large VLSI Very > 10000 SLSI Super > 50000 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

5 Entwicklung der LSI-Technik
Speicher, RAM, ROM UART Universal Asynchronous Receivers Transistor UART und Schieberegister Tisch und Taschenrechner Mikroprozessor Support Chips Mikrocontroller Mikrocomputer LSI-Interfaces Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

6 CPU-Hersteller und Rechner
/370, Power HP-RISC Eclipse, Alpha Sparc PC’s Apple Pocket … Hersteller IBM HP Digital SUN Intel Motorola AMD Transmeta … Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

7 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, Transistoren) 1989 Intel 80486: integriert mathematischen Co-Prozessor; 4 mal so viele Transistoren wie beim ( Transistoren) 1989 Motorola 68040: mit integrierter Fließ-Komma-Einheit und getrenntem Cache (Speicher) für Befehle und Daten ( Transistoren) 1991 AMD 386 DX: erster AMD-Klon einer Intel-CPU; geringere Transistorenzahl und höhere Taktfrequenz; dem Original teilweise überlegen ( Transistoren) Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

8 CPU-Leistungsentwicklung
Mio.Transistoren/CPU-Die Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

9 Aufbau der CPU Allgemeiner Aufbau Zusammenspiel CPU und Peripherie
CISC – RISC CPUen Eren Metin Elci Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

10 Definition µP-CPU CPU Steuereinheit Eingabe ALU Ausgabe Speicher
Comptersystem: 5 Funktionseinheiten µProzessor: ist eine LSI-Baustein, der die meisten Funktionen eines traditionellen Prozessors auf einem einzigen Chip vereinigt CPU Steuereinheit Eingabe ALU Ausgabe Speicher Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

11 Moderner Aufbau einer µP-CPU
Control Unit: a Processing Unit: b Cache Unit: c Chipset: d Interner Bus e Externer Bus f Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

12 Erläuterung der CPU-Funktionsblöcke
Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

13 Internes Bussystem eines Rechners
Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

14 Rechnerbausteine CPU RAM ROM Peripherie DMA Taktgeber Chipset
Steuerbus Adressbus Datenbus Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

15 Datenflussdiagramm Arbeitsablauf der einzelnen Rechner- Komponenten
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16 Heutige CPU Generationen
POWER4 Floorplan Itenium Floorplan CPU Building Block >35GB/s Chip Interconnect Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

17 Register-Bitbreite und Speicheradressen
CPU (bit) Physikalische Adressbreite/ Register (bit) Virtueller/Adressierbarer Speicher (Byte) i80xx i286 Pentium Itanium 8 16 32 64 64 kB 2 GB 8 TB K5 Athlon, 64 Opteron 32/64 48/40 2 GB,4 GB/1TB 256 TB / 1 TB Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

18 Funktionsweise der CPU
Zentraleinheit Register Steuereinheiten Befehlsausführung Sebastian Biewer Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

19 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 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

20 Einfaches Modell der CPU
Register Daten-Bus Status-Flag A BR PZ DZ Verschiebung ALU Steuerleitungen Komplement Steuereinheit Addition und Boolsche Algebra ALU-Operation: Binäre Operation Boolsche Algebra Komplementbildung eines Datenwortes Verschieben Bufferregister Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

21 CPU Komponenten ALU Bedeutung Register Interne CPU Steuereinheit
Interner CPU-Datenbus Bufferregister Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

22 Die Register der CPU Register Bitmuster Abkürzung Akkumulator 8-bit A
Datenzähler 16-bit DZ - Adressen Befehlsregister BR - Befehle Programmzähler PZ – Adresszähler des Programms Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

23 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 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

24 Verwendung der Register der CPU
Am Beispiel des Additionsprogramms Anfangszustand Adresse Speicher 0400 A DZ BR PZ 9C 0A 30 40 31 80 60 7A 2F 0400 0401 0402 0403 0404 0405 0406 0407 0408 0409 0A30 0A31 Befehl 1 Befehl 2 Befehl 3 Befehl 4 Befehl 5 Vor Addition 7A 9C 0407 0A 31 A DZ BR PZ Programm- speicher Daten- Addition A9 80 0408 0A 31 A DZ BR PZ Nach Addition A9 60 0409 0A 31 A DZ BR PZ Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

25 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 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

26 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. Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

27 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 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

28 Befehlszyklus Der Befehlszyklus gibt die Reihenfolge an, mit der ein Befehl abgearbeitet wird Der Befehl wird geladen (IF = Instruction Fetch) Der Befehl wird decodiert und ein Register wird geladen (ID & RF= Instruction decode and register fetch) Als nächstes werden dann ALU-Operationen ausgeführt (EXE = execution of ALU operation) und in den Speicher geschrieben (MEM = memory access) 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 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

29 Register von 64 bit CPU’s Itanium Opteron Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

30 HOLD-Anforderung Anhalten des Prozessors, damit z.B. direkte Speicherzugriffe DMA möglich sind Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

31 Flags Vorzeichen und Überlauf Flag Carry-Bit und Hilfscarry
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 Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

32 Referenzen Einführung in die Mikrocomputer-Technik, Adam Osborne
Computerpartner SPEC CPU2000 Internet: AMD, IBM, Intel Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

33 Appendix CPU Tabellen AMD/Intel Klasse 11 BG-D 23. Jan. 2004

34 CPU-Leistungsentwicklung (bei Intel)
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35 CPU-Leistungsentwicklung (bei AMD)
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