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

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

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

3 3 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Grundlagen Wiederholung 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

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

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

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

7 7 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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. Wiederholung / Begriffsdefinitionen

8 8 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

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

10 10 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

11 11 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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. Wiederholung / Begriffsdefinitionen

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

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

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

15 15 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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 Begriffsdefinitionen

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

17 17 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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. Begriffsdefinitionen

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

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

20 20 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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. Begriffsdefinitionen

21 21 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Mikroprogrammspeicher Die Befehle sind in einem Rechner entweder >, 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. Begriffsdefinitionen

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

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

24 24 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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.

25 25 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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.

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

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

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

29 29 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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 Begriffsdefinitionen

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

31 31 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Steuereinheit Begriffsdefinitionen 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.

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

33 33 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 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 Begriffsdefinitionen

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

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

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

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

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

39 39 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Benchmark Begriffsdefinitionen 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.

40 40 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 OEM Begriffsdefinitionen OEM Abkürzung für > bzw. >. 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.

41 41 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Das Zeitverhalten Begriffsdefinitionen Die Zeit, die der Prozessor braucht, um einen Befehl auszuführen, wird von mehreren Faktoren bestimmt. 1.Der Taktfrequenz 2.Der Anzahl der Taktzyklen, die für einen Befehl benötigt werden 3.Der Anzahl der Taktzyklen, die zusätzlich benötigt werden, um falls erforderlich die effektive Adresse (EA) eines Speicheroperanden zu bilden.

42 42 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Die Taktfrequenz Begriffsdefinitionen 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 PCs somit ca. 210 ns

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

44 44 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Beispiel Assemblerbefehle ADD Begriffsdefinitionen ADD (Addition), addiert die zwei Operanden und speichert das Ergebnis im Bestimmungsoperanden (dem linken Operanden) ab. Erlaubte Operandenpaare sind: LIOPAkkuRegSregSpeicherDirektwert Akkuja neinja Regja neinja Sregnein Speicherja nein ja REOP

45 45 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Beispiel Assemblerbefehle ADD Begriffsdefinitionen 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)

46 46 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Beispiel Assemblerbefehle ADD Begriffsdefinitionen Register nach Register Maschinencode: Zeit: 3 Takte Beispiele: 03 C6ADDAX,SI 03 FBADDDI,BX 02 EBADDCH,BL 02 E0ADDAH,AL w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit w11regreg

47 47 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Beispiel Assemblerbefehle ADD Begriffsdefinitionen Speicher nach Register Maschinencode: Zeit: 9 Takte + EA Takte Beispiele: 03 16ADDDX,Wort_Var 03 85ADDAX,Wort_TAB[DI] 02 80ADDAL,Byte_TAB[BX+SI] 02 2FADDCH,[BX] w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit wmod reg r/madr-lowadr-high

48 48 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Beispiel Assemblerbefehle ADD Begriffsdefinitionen Register nach Speicher Maschinencode: Zeit: 16 + EA Takte Beispiele: 01 16ADDWort,DX 01 84ADDWort_TAB[DI],AX 00 10ADD[BX+SI],DL 01 1FADD[BX],BX w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit wmod reg r/madr-lowadr-high

49 49 Grundlagen Hardware Teil II © Dr. G. Hellberg November 2000 Beispiel Assemblerbefehle ADD Begriffsdefinitionen Direktwert nach Akkumulator Maschinencode: Zeit: 4 Takte Beispiele: 04 03ADDAL, ADDAX,1234h ADDAX,EQUATE_WERT 04 05ADDAL,EQUATE_WERT w = 0 für 8 Bit und AL w = 1 für 16 Bit und AX wdata-lowdata-high

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


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