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

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

2 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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

3 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Geschichte der CPU –Miniaturisierung –CPUs und Rechner –µProcessor CPU –Biologische CPU Serhat Imrag

4 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Miniaturisierung SSISmall Scale Integration 1-10 Transitoren/Chip MSIMedium LSILarge VLSIVery> SLSISuper> 50000

5 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Entwicklung der LSI-Technik UART Universal Asynchronous Receivers Transistor Speicher, RAM, ROM LSI UART und Schieberegister Tisch und Taschenrechner Mikroprozessor Support Chips LSI-Interfaces Mikrocontroller Mikrocomputer

6 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan CPU-Hersteller und Rechner Hersteller IBM HP Digital SUN Intel Motorola AMD Transmeta … Rechner /370, Power HP-RISC Eclipse, Alpha Sparc PCs Apple PCs Pocket …

7 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Die ersten 20 Jahre der CPU: µProcessor 1971Intel 4004: erster Mikroprozessor mit 4-Bit Datenbreite (2.300 Transistoren) 1974Motorola 6800: erste vollwertige CPU mit 8-Bit Datenbreite; eigene Architektur (68x-) mit nicht-Intel-kompatiblem Befehlssatz (4.100 Transistoren) 1975Intel 8080: erste vollwertige Intel-CPU mit 8-Bit Datenbreite; Einsatz im ersten "Home-Computer", dem Altair 8800 (6.000 Transistoren) 1977Weiternetwicklung der Motorola 6800-CPU; gilt als bester 8- Bit Mikroprozessor überhaupt (6.809 Transistoren) 1985Intel 80386: erste 32-Bit-CPU in Intel-Spezifikation; sie kann als erste CPU mehrere Programme gleichzeitig verarbeiten (Multitasking, Transistoren) 1989Intel 80486: integriert mathematischen Co-Prozessor; 4 mal so viele Transistoren wie beim ( Transistoren) 1989Motorola 68040: mit integrierter Fließ-Komma-Einheit und getrenntem Cache (Speicher) für Befehle und Daten ( Transistoren) 1991AMD 386 DX: erster AMD-Klon einer Intel-CPU; geringere Transistorenzahl und höhere Taktfrequenz; dem Original teilweise überlegen ( Transistoren)

8 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan CPU-Leistungsentwicklung Mio.Transistoren/CPU-Die

9 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Aufbau der CPU –Allgemeiner Aufbau –Zusammenspiel CPU und Peripherie –CISC – RISC CPUen Eren Metin Elci

10 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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 EingabeAusgabe CPU

11 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Moderner Aufbau einer µP-CPU Control Unit:a Processing Unit:b Cache Unit:c Chipset:d Interner Buse Externer Busf

12 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Erläuterung der CPU-Funktionsblöcke

13 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Internes Bussystem eines Rechners

14 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Rechnerbausteine CPU RAM ROM Peripherie DMA Taktgeber Chipset Steuerbus Adressbus Datenbus

15 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Datenflussdiagramm Arbeitsablauf der einzelnen Rechner- Komponenten

16 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Heutige CPU Generationen POWER4 Floorplan CPU Building Block >35GB/s Chip Interconnect Itenium Floorplan

17 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Register-Bitbreite und Speicheradressen CPU (bit) Physikalische Adressbreite/ Register (bit) Virtueller/Adressierbarer Speicher (Byte) i80xx i286 Pentium Itanium kB 2 GB 8 TB K5 Athlon, 64 Opteron 16 32/ /40 2 GB,4 GB/1TB 256 TB / 1 TB

18 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Funktionsweise der CPU –Zentraleinheit –Register –Steuereinheiten –Befehlsausführung Sebastian Biewer

19 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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

20 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Einfaches Modell der CPU ALU-Operation: 1.Binäre Operation 2.Boolsche Algebra 3.Komplementbildung eines Datenwortes 4.Verschieben Daten-Bus Steuereinheit A BR PZ DZ Status-Flag Verschiebung Komplement Addition und Boolsche Algebra Bufferregister ALU Steuerleitungen Register

21 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan CPU Komponenten ALUBedeutung Register Interne CPU Steuereinheit Interner CPU-Datenbus Bufferregister

22 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Die Register der CPU RegisterBitmusterAbkürzung Akkumulator8-bitA Datenzähler16-bitDZ - Adressen Befehlsregister8-bitBR - Befehle Programmzähler16-bitPZ – Adresszähler des Programms

23 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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

24 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Verwendung der Register der CPU Am Beispiel des Additionsprogramms 9C 0A C 0A A 2F Speicher Adresse Anfangszustand 0400 A DZ BR PZ A30 0A31 Befehl 1 Befehl 2 Befehl 3 Befehl 4 Befehl 5 Programm- speicher Daten- speicher 7A 9C A 31 A DZ BR PZ A A 31 A DZ BR PZ A A 31 A DZ BR PZ Vor Addition Addition Nach Addition

25 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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

26 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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.

27 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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

28 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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

29 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Register von 64 bit CPUs Itanium Opteron

30 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan HOLD-Anforderung Anhalten des Prozessors, damit z.B. direkte Speicherzugriffe DMA möglich sind

31 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan 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

32 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Referenzen Einführung in die Mikrocomputer-Technik, Adam Osborne Computerpartner SPEC CPU2000 Internet: AMD, IBM, Intel

33 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan Appendix CPU Tabellen AMD/Intel

34 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan CPU-Leistungsentwicklung (bei Intel)

35 Berufl. Gymnasium GG © 2004 Sebi Klasse 11 BG-D23. Jan CPU-Leistungsentwicklung (bei AMD)


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