THEMA Prozessoren 1 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000.

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1 THEMA Prozessoren 1 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

2 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 2 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

3 Grundlagen Adressraum Multiplexing des Daten- und Adressbusses
Pinbelegung der 8086/8088 CPUs EU / BIU / ALU Eigenschaften und Aufgaben von EU und BIU Register / Funktionsgruppen Statusflags, Kontrollflags 3 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung

4 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 4 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

5 Grundlagen Aufbau des Zentralprozessors
Zentralprozessor, Leitwerk, Rechenwerk Bussystem eines Mikrorechners Prozessor CPU: Rechenwerk, Steuerwerk, Register Arbeitszyklen: Fetch, Read, Execute, Write CISC, RISC 5 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung

6 Zentralprozessor Prozessor, Hardwareeinheit für Steuerung und
Datenmanipulation. Ein Prozessor besteht mindestens aus:  Leitwerk  Rechenwerk, Registern und meistens der Eingabe-/Ausgabe-Steuerung 6 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

7 Leitwerk Das Leitwerk nimmt Koordinationsfunktionen für die
gesamte EDVA wahr. Es steuert den Ablauf des Befehls- und Datenflusses und bestimmt einen Taktgeber die Programmablaufgeschwindigkeit. Es besteht aus logischen Schaltungen und Registern. 7 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

8 Rechenwerk Das Rechenwerk, der andere Teil des Zentralprozessors,
verknüpft die vom Leitwerk bezeichneten Daten. Hier werden arithmetische und logische Operationen (Vergleichen, Verschieben, Vorzeichenbestimmung, Umformen, Runden) durchgeführt. Das Rechenwerk arbeitet entweder mit rein dualen Zahlen oder ziffernweise dual codierten Dezimalzahlen. Aus technisch bedingten Vereinfachungsgründen werden in der Regel Rechenoperationen in elementare Additionen aufgelöst. Schaubild nächste Folie 8 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

9 Aufbau des Zentralprozessors
Befehle vom Arbeitsspeicher Befehlsadressen an den Arbeitsspeicher Daten vom oder zum Arbeitsspeicher Prozessor- Befehls- register Befehls- zähler Register (für Operanden u. Ergebnisse) interne Adressen Akku- mulator Befehls Operationen- decodierer steuerung Prozessor- interne Steuer- signale A L U Takt- geber Status- register Steuersignale zu und von prozessorexternen Einheiten Leitwerk Rechenwerk 9 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

10 Zwei verschiedene CPU-Klassen
RISC (Reduced Instruction Set Computer) Kleiner Maschinenbefehlsvorrat (ca ). Sehr schnell, da Befehle nur 1-4 Taktzyklen zur Ausführung brauchen. CISC (Complex Instruction Set Computer) Großer Vorrat an komplexen Maschinenbefehlen (ca ). Instruktionen können über viele Taktzyklen gehen 10 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

11 Arbeitszyklen der 8086/8088-Prozessoren
Fetch Ein Maschinenbefehl wird aus dem Arbeitsspeicher in den Prozessor geholt. (Read) Falls der Maschinenbefehl einen Speicher operanden benötigt, wird dieser aus dem Arbeitsspeicher eingelesen. Execute Der Befehl wird ausgeführt. (Write) Falls ein Ergebnisoperand im Arbeitsspeicher abgelegt werden muss, wird er jetzt in den Arbeitsspeicher geschrieben. 11 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

12 Zentraleinheit Zentraleinheit umfasst den oder die Zentralprozessoren
und den Arbeitsspeicher. Alles was nicht zu der Zentraleinheit gehört, bezeichnet man als Peripherie (periphere Einheit). 12 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

13 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 13 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

14 Speichermedien / -arten
Arbeitsspeicher Pufferspeicher Registerspeicher Mikroprogrammspeicher Erweiterungsspeicher Magnetplattenspeicher Optischer Plattenspeicher 14 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

15 Zentralspeicher Zentralspeicher sind in der Zentraleinheit befindliche
Speicher, zu denen der bzw. die zentralen Prozessoren und gegebenenfalls EA-Prozessoren unmittelbar Zugang haben. Schaubild nächste Folie 15 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

16 Zentralspeicher Begriffsdefinitionen
Arbeitsspeicher Puffer- speicher Register Mikro- programm- speicher Serviceprozessor Konsolprozessor Zentralprozessor Register ___________ ___________ ___________ ___________ Ein-Ausgabe-Prozessor 16 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

17 Arbeitsspeicher Im Arbeitsspeicher werden die laufenden Programme und
die von diesem benötigten Daten gehalten. Aus ihm entnimmt der Zentralprozessor beim Programmablauf schrittweise die Befehle und die in den Befehlen adressierten Daten, führt die verlangten Operationen aus und gibt deren Ergebnisse an den Arbeitsspeicher zurück. 17 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

18 Pufferspeicher Ein Puffer ist ein Speicher, der Daten vorübergehend aufnimmt, die von einer Funktionseinheit zu einer anderen übertragen werden. Schaubild nächste Folie 18 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

19 Datenfluss beim Lesen im Pufferspeicher und im Arbeitsspeicher
8 Pufferspeicherbänke 2 KB 63 32 Bytes 8 Bytes Zentralprozessor 19 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

20 Registerspeicher Register sind Bestandteile des Prozessors. Sie haben jeweils eine beschränkte Kapazität von einem Wort (2Byte) in seltenen Fällen auch von einem Byte. Bei Bedarf können zwei Register zur Speicherung eines Doppelwortes gekoppelt werden. Register kommen an vielen Stellen von EDVA einzeln vor; insgesamt haben sie eine sehr geringe Kapazität Sie dienen zur kurzzeitigen Speicherung von Angaben, die sofort wieder greifbar sein müssen. 20 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

21 Mikroprogrammspeicher
Die Befehle sind in einem Rechner entweder << fest verdrahtet >>, oder sie werden aus Mikroinstruktionen erzeugt, die im Mikroprogrammspeicher zur Verfügung stehen. Die Zugriffszeit liegt bei den leistungsstärkeren Großrechnern im Bereich von unter 10 ns, bei kleineren Rechnern ist sie bis zehnmal so hoch. 21 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

22 Speicherhierarchie Begriffsdefinitionen
Re- gister Puffer- speicher Arbeitsspeicher Erweiterungsspeicher Magnetplattenspeicher Optischer Plattenspeicher abnehmende Kosten pro Bit Zunehmende Kapazität Abnehmende Zugriffszeit 22 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

23 Virtuelle Speicherverwaltung
Die virtuelle Speicherverwaltung wird verwendet, um einen Mangel an realem physischen Arbeitsspeicher auszugleichen. Es existieren zwei Verfahren: Paging Swapping 23 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

24 Demand Paging Bei virtuellen Systemen braucht ein Programm eines aktiven Prozesses nicht vollständig im Hauptspeicher vorzuliegen. Ein externer Plattenspeicher dient als sogenannter virtueller Speicher (paging area). Der virtuelle und der physikalische Speicher werden in Seiten (engl.: pages; 1-4 KB) eingeteilt und je nach Bedarf (engl.: demand) werden Seiten ein- und ausgelagert. 24 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

25 Swapping Ist der Speicherplatz trotz Paging nicht ausreichend, oder
werden zu oft Seiten ein- und ausgelagert, können ganze Prozesse auf einen externen Speicher (swap area) ausgelagert werden. Dies wird vom Prozess 0 (swapper) durchgeführt, der beim Systemstart erzeugt wird. 25 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

26 Virtuelle Speichertechnik
Virtueller Speicher Realer Speicher Seite Seite Seiten- wechsel- bereich Seiten- wechsel Ablaufteil und residente Programme ständig belegter Bereich 26 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

27 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 27 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

28 Bus Ein Bus ist ein Verbindungssystem zwischen digitalen Schaltwerken, das von allen angeschlossenen Einheiten (Teilnehmern) gemeinsam genutzt wird. 28 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

29 Bussysteme Innerhalb der Zentraleinheit unterscheidet man je nach Art der transportierten Informationen den Datenbus, den Adressbus und den Steuerbus. Ein Bus, der Prozessor(en), Arbeitsspeicher und Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle verbindet, heißt externer Bus und dient zur Kommunikation der internen Einheiten des Prozessors (zwischen Leitwerk, Rechenwerk und deren Registern). Schaubild nächste Folie 29 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

30 Bussystem eines Mikrorechners
Arbeitsspeicher _________externer Steuerbus_______________ externer Adressbus externer Datenbus E/A- Prozessor Konsolprozessor Serviceprozessor Zusatz- prozessor (en) ROM RAM Treibereinheit / Puffer Leit- werk prozessorientierter Datenbus prozessorientierter Steuerbus prozessorientierter Adressbus Rechen- werk Zentralprozessor 30 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

31 Steuereinheit Die Steuereinheit reglementiert und überwacht den Datentransfer, sie schaltet Komponenten ein und aus und übernimmt teilweise Verarbeitungsfunktionen (z.B. Zwischen-speicherung). Hierzu werden heutzutage regelmäßig Mikroprozessoren verwendet, die mit einem Mikroprogrammspeicher arbeiten. Damit ist eine flexible Anpassung an sich wandelnde Gerätespezifikationen und Anwendungsbedingungen möglich. 31 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

32 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 32 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

33 Ein-Ausgabe-Prozessor
Der Ein-Ausgabe-Prozessor ist eine Funktionseinheit innerhalb der Zentraleinheit, die das Übertragen von Daten zwischen den peripheren Einheiten und dem Arbeitsspeicher selbständig steuert und dabei die Daten gegebenenfalls modifiziert. Schaubild nächste Folie 33 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

34 Ein-Ausgabegeräte Begriffsdefinitionen
Zentraleinheiten Steuereinheiten Ein-Ausgabegeräte bzw. Rechnerverbund Arbeitsspeicher Zentral- pro- zessor EA- Pro- zes- soren Kanäle Terminalsteuer- einheit Magnetband- steuereinheit Magnetplatten- steuereinheit Optische Platten- Bildschirmgeräte Magnetbänder Magnetplattengeräte Verbind- ungs- einheit Optische Plattengeräte Drucker Arbeitsspeicher Zentral- pro- zessor EA- Pro- zes- soren Kanäle usw. LAN Arbeitsplatzrechner Verbind- ungs- einheit Abteilungsrechner Großrechner 34 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

35 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 35 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

36 Mikroprozessoren von Intel
36 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

37 Mikroprozessoren von Intel
37 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

38 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 38 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

39 Benchmark Ein Benchmark bzw. Benchmarktest dient zur Leistungs-
vermögensanalyse von EDVA. Er besteht aus Programmen im Quellcode, die für die zu vergleichenden Rechner übersetzt und zur Ausführung gebracht werden. Dabei werden die Ausführungszeichen (Durchsatz, Antwortzeit) gemessen und verglichen. Standardbenchmarks sind künstliche, das heißt real nicht verwendete Programme für Mess- und Beurteilungszwecke von Teilleistungen bzw. Gesamtleistungen von EDVA. 39 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

40 OEM OEM Abkürzung für << original equipment manufacturer >> bzw. << other equipment manufacturer >>. Man versteht darunter einen EDV-Hersteller, der Geräte oder auch Komponenten von anderen EDV-Herstellern bezieht und diese in eigenen Anlagen unter eigenem Namen vertreibt. Meist bietet er dabei einen Zusatznutzen in Form spezieller Software, Firmware oder Hardware; OEMs werden in diesem Sinne auch als VARs (Abkürzung von engl.: value added resellers) bezeichnet. 40 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

41 Das Zeitverhalten Die Zeit, die der Prozessor braucht, um einen Befehl auszuführen, wird von mehreren Faktoren bestimmt. Der Taktfrequenz Der Anzahl der Taktzyklen, die für einen Befehl benötigt werden Der Anzahl der Taktzyklen, die zusätzlich benötigt werden, um falls erforderlich die effektive Adresse (EA) eines Speicheroperanden zu bilden. 41 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

42 Die Taktfrequenz Bei 5 MHz beträgt die Zeit für einen Taktzyklus ca. 200 Nanosekunden, bei 8 MHz beträgt sie ca. 125 Nanosekunden. 1 Nanosekunde = Sekunden Der 8088-Prozessor im IBM-PC z. B. arbeitet mit einer Taktfrequenz von 4,77 MHz. Ein Taktzyklus dauert bei diesen PC‘s somit ca. 210 ns 42 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

43 Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen
Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 43 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000

44 Beispiel Assemblerbefehle ADD
ADD (Addition), addiert die zwei Operanden und speichert das Ergebnis im Bestimmungsoperanden (dem linken Operanden) ab. Erlaubte Operandenpaare sind: REOP LIOP Akku Reg Sreg Speicher Direktwert ja nein 44 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

45 Beispiel Assemblerbefehle ADD
Operationen: Die Summe der beiden Operanden wird im Bestimmungsoperand (LIOP) abgelegt. Flags: O D I T S Z A P C X X X X X X (LIOP)(LIOP) + (REOP) 45 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

46 Beispiel Assemblerbefehle ADD
Register nach Register Maschinencode: Zeit: 3 Takte Beispiele: 03 C6 ADD AX,SI 03 FB ADD DI,BX 02 EB ADD CH,BL 02 E0 ADD AH,AL w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit w 11regreg 46 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

47 Beispiel Assemblerbefehle ADD
Speicher nach Register Maschinencode: Zeit: 9 Takte + EA Takte Beispiele: ADD DX,Wort_Var ADD AX,Wort_TAB[DI] ADD AL,Byte_TAB[BX+SI] 02 2F ADD CH,[BX] w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit w mod reg r/m adr-low adr-high 47 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

48 Beispiel Assemblerbefehle ADD
Register nach Speicher Maschinencode: Zeit: EA Takte Beispiele: ADD Wort,DX ADD Wort_TAB[DI],AX ADD [BX+SI],DL 01 1F ADD [BX],BX w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit w mod reg r/m adr-low adr-high 48 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

49 Beispiel Assemblerbefehle ADD
Direktwert nach Akkumulator Maschinencode: Zeit: 4 Takte Beispiele: ADD AL,3 ADD AX,1234h ADD AX,EQUATE_WERT ADD AL,EQUATE_WERT w = 0 für 8 Bit und AL w = 1 für 16 Bit und AX w data-low data-high 49 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

50 Beispiel: Assembler UHR.asm
50 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen