Mikroprozessor als universeller digitaler Baustein

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1 2. Mikroprozessor 2.1 Allgemeines Mikroprozessor als universeller digitaler Baustein Die zunehmende Integrationsdichte von elektronischen Schaltkreisen führt zwangsläufige zur Entwicklung eines universellen Bausteins und damit zur Entwicklung des Mikroprozessors MCT 2-1

2 Entwicklungsgeschichte der Mikroprozessoren 1/2 Jahr µp-typ 1. Generation 1971 Intel Bit ALU, 16x4Bit Register, 12 Bit Adressbus, 45 Befehle, 2250 Transistoren 1972 Intel Bit ALU, 6x8 Bit Register, 14 Bit Adressbus, 30 µsec/befehl, 2.Generation 1972 Intel Bit Prozessor, 16 Bit Adressbus,2µsec/Befehl,75 Befehle, 5000 Transistoren, Interruptfähig 1974 Motorola Intel 8085 Zilog Z80 3. Generation Weiterentwicklung des Intel Bit Prozessor, Transistoren, 20 Bit Adressbus Intel Ein-Chip Computer 1979 Motorola Bit Register, 16 MB Adressbereich, Transistoren Z8000 Intel 8088 Motorola Intel Bit Datenbus, intern 16 Bit MCT 2-2

3 Entwicklungsgeschichte der Mikroprozessoren 2/ Intel Motorola NS Intel Motorola Generation 32-Bit Prozessoren, Transistoren, virtuelle Speicherverwaltung integriert 1,2 Mio Transistoren, FPU integriert 1993 Intel Pentium 3,1 Mio Transistoren, 16 Kbyte Cache, 64/32-Bit Prozessor DEC Alpha Chip IBM/Motorola/ Apple: PowerPC Bit RISC-Chip, 2,8 Mio Transistoren 32/64 Bit RISC Chip,2,8 Mio Transistoren MCT 2-3

4 Blockschaltbild eines Computers Peripherie externer Speicher Takt µp/ze/cpu Input/Output (I/O) Rechenwerk Steuerwerk RAM ROM Anpaßlogik Datenbus Adressbus Steuerbus Systembus bidirektional unidirektional MCT 2-4

5 Einfachste Prozessorarchitektur mit Akku (Nerdi) Status C Z ALU 8 Akku 8 Speicher PC Program Counter Akku Akkumulator OP Operation ALU Arithmetic Logic Unit IR Instruction Register C Carry Z Zero 2 3 Decoder IR OP 8 Adresse Datenbus PC Adressbus R/W Treiber Treiber Treiber Befehlsliste: OpCode Dezimal Mnemonic HALT LOAD mem STORE mem ADD mem SUB mem JMP mem JMPC mem JMPZ mem MCT 2-5

6 Programmbeispiele zu Nerdi ; Addition der Zahlen von 1 bis 10 START LOAD sum ; sum = sum+count ADD count STOR sum LOAD ADD EINS STOR count count ; count++ SUB NMAX JMPZ ENDE JMP START ENDE HALT ; ; Datenblock EINS DB 01 ; Konst 1 NMAX DB 0B ; Maximalzahl count DB 01 ; Zähler sum DB 00 ; Ergebnis END MCT 2-6

7 Realisierung des Nerdi-Prozessors als digitale Schaltung Realisierung der ALU Befehlssatz der ALU besteht aus : Addition (ADD mem) Subtraktion (SUB mem) Laden (LOAD mem) Die ALU wird zunächst als 1-Bit-ALU realisiert MCT 2-7

8 Kernstück der 1-Bit ALU ist ein Addierer a b 1-Bit Addierer a b s c S = a XOR b C = a AND b c s a b & =1 1-Bit Halb-Addierer c s MCT 2-8

9 Volladdierer: Berücksichtigung des Übertrags aus der vorigen Stelle a b a b c+1 1-Bit Volladdierer c HA c s c+1 >=1 HA Wird aufgebaut aus 2 Halbaddieren, die Oderverknüpfung der carry`s s ergibt das carry der nächsten Stelle Addidtion mehrerer Bit (z.b. 1 Byte) wird durch Parallelschaltung mehrer 1-Bit Addierer erreicht an a2 a1 a0 bn b2 b1 b0 cn+1 VA VA VA VA c0 sn s2 s1 s0 MCT 2-9

10 Load mem: Laden des Akku mit dem Inhalt einer Adresse => Addition einer 0 a & Steuerleitung (ctrl1) 0 = Laden 1 = Addition b c+1 1-Bit Volladdierer c s MCT 2-10

11 Sub mem: Subtraktion => Addition des 2er Komplements 2er Komplement : Invertieren (Exor) und Addition einer 1 a b =1 Steuerleitung (ctrl2) 0 = Addition 1 = Subtraktion c+1 1-Bit Volladdierer 1 s MCT 2-11

12 a 7 b 7 a 6 b 6 Ctrl1 a 0 b 0 Ctrl2 & =1 & =1 & =1 VA c 7 VA c 6 VA c 0 s 7 s 6 s 0 LOAD Ctrl1 = 0 Ctrl2 = 0 ADD Ctrl1 = 1 Ctr2 = 0 SUB Ctrl1 = 1 Ctrl2 = 1 MCT 2-12

13 Realisierung des Steuerwerks Steuerleitungen ctrl1 / ctrl2 ALU Mode PC+ PC inkrementieren PCin PC von Adressteil des IR laden PCout PC auf Adressbus legen IRout IR Adressteil auf Adressbus legen IRin IR von Datenbus laden AkkuIn Ergebnis von ALU in Akku laden AkkuALU Akkuinhalt an ALU anlegen AkkuDB Akkuinhalt auf Datenbus legen StatusIn Status von ALU in Statusregister laden R/W Read/Write Signal für Speicher MCT 2-13

14 Das Steuerwerk wird als Zustandsmaschine realisiert. MCT 2-14

15 Zustandstabelle MCT 2-15

16 Realisierung als ROM-Steuerwerk MCT 2-16

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