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

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

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung

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

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung

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

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

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

Zwei verschiedene CPU-Klassen RISC (Reduced Instruction Set Computer) Kleiner Maschinenbefehlsvorrat (ca. 70 - 100). Sehr schnell, da Befehle nur 1-4 Taktzyklen zur Ausführung brauchen. CISC (Complex Instruction Set Computer) Großer Vorrat an komplexen Maschinenbefehlen (ca. 150 - 250). Instruktionen können über viele Taktzyklen gehen. 10 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Wiederholung / Begriffsdefinitionen

Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 12 Grundlagen Hardware © 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). 13 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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

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

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

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

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

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

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 32 Grundlagen Hardware © 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 33 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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 © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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

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

Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 37 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000

Benchmark Ein Benchmark bzw. Benchmarktest dient zur Performanceanalyse 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. 38 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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. 39 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

Gliederung Gliederung Wiederholung Begriffsdefinitionen Weitere Begriffsdefinitionen Verschiedene Speichermedien Bus / Bussysteme Ein-Ausgabe-Prozessor Mikroprozessoren im Vergleich Benchmark / OEM Assembler Befehle 40 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000

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 41 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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) 42 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

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 0000 001w 11regreg 43 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

Beispiel Assemblerbefehle ADD Speicher nach Register Maschinencode: Zeit: 9 Takte + EA Takte Beispiele: 03 16 ADD DX,Wort_Var 03 85 ADD AX,Wort_TAB[DI] 02 80 ADD AL,Byte_TAB[BX+SI] 02 2F ADD CH,[BX] w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit 0000 001w mod reg r/m adr-low adr-high 44 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

Beispiel Assemblerbefehle ADD Register nach Speicher Maschinencode: Zeit: 16 + EA Takte Beispiele: 01 16 ADD Wort,DX 01 84 ADD Wort_TAB[DI],AX 00 10 ADD [BX+SI],DL 01 1F ADD [BX],BX w = 0 für 8 Bit w = 1 für 16 Bit 0000 000w mod reg r/m adr-low adr-high 45 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

Beispiel Assemblerbefehle ADD Direktwert nach Akkumulator Maschinencode: Zeit: 4 Takte Beispiele: 04 03 ADD AL,3 05 1234 ADD AX,1234h 05 0005 ADD AX,EQUATE_WERT 04 05 ADD AL,EQUATE_WERT w = 0 für 8 Bit und AL w = 1 für 16 Bit und AX 0000 010w data-low data-high 46 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen

Beispiel: Assembler UHR.asm 47 Grundlagen Hardware © Dr. G. Hellberg November 2000 Begriffsdefinitionen