Mikroprozessortechnik

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1 Klaus Wüst Mikroprozessortechnik Grundlagen, Architekturen, Schaltungstechnik und Betrieb von Mikroprozessoren und MikroControllern 4., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 195 Abbildungen und 44 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Geschichtliche Entwicklung der Mikroprozessortechnik Stand und Entwicklungstempo der Mikroprozessortechnik Grundbestandteile eines Mikrorechnersystems Aufgaben und Testfragen 6 2 Informationseinheiten und Informationsdarstellung Bits, Tetraden, Bytes und Worte Die Interpretation von Bitmustern Zahlensysteme Die binäre Darstellung von Zahlen Vorzeichenlose ganze Zahlen Vorzeichenbehaftete ganze Zahlen (Zweierkomplement-Darstellung) Festkommazahlen Gleitkommazahlen Aufgaben und Testfragen 18 3 Halbleiterbauelemente Diskrete Halbleiterbauelemente Dotierte Halbleiter Feldeffekttransistoren Integrierte Schaltkreise (Integrated Circuits) Allgemeines Schaltkreisfamilien TTL-Bausteine CMOS-Bausteine Weitere Schaltkreisfamilien Logische Verknüpfungen und Logische Schaltglieder Aufgaben und Testfragen 30 4 Speicherbausteine Allgemeine Eigenschaften Read Only Memory (ROM) Masken-ROM (MROM) Programmable ROM (PROM) Erasable PROM (EPROM) 36

3 VIII Inhaltsverzeichnis EEPROM und Flash-Speicher Random Access Memory (RAM) Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Magnetoresistives RAM und Ferroelektrisches RAM Aufgaben und Testfragen 54 5 Ein- und Ausgabe Allgemeines Eingabeschaltung, Ausgabeschaltung Ein-/Ausgabe-Steuerung von Bausteinen und Geräten Aufbau von Bausteinen und Geräten mit Ein-/Ausgabe-Steuerung Fallbeispiel: Der programmierbare Ein-/Ausgabebaustein Aufgaben und Testfragen 61 6 Systembus und Adressverwaltung Busaufbau Warum ein Bus? Open-Drain-Ausgänge Tristate-Ausgänge Bustreiber Synchrone und asynchrone Busse Busdesign Busvergabe bei mehreren Busmastern Busanschluss und Adressverwaltung Allgemeines zu Adressen und ihrer Dekodierung Adressdekodierung von Ein-/Ausgabebausteinen Adressdekodierung von Speicherbausteinen Big-Endian- und Little-Endian-Byteordnung Chipsätze moderner PCs Aufgaben und Testfragen 85 7 Einfache Mikroprozessoren Die Ausführung des Maschinencodes Interner Aufbau eines Mikroprozessors Registersatz Steuerwerk Operationswerk (Rechenwerk) Adresswerk und Adressierungsarten Systembus-Schnittstelle CISC-Architektur und Mikroprogrammierung RISC-Architektur Programmierung von Mikroprozessoren Maschinenbefehlssatz Maschinencode und Maschinenprogramme 105, Assemblersprache und Compiler Hardware-Software-Schnittstelle (Instruction Set Architecture)

4 Inhaltsverzeichnis IX 7.6 Reset und Boot-Vorgang Ergänzung: Hilfsschaltungen Taktgenerator Einschaltverzögerung Aufgaben und Testfragen Besondere Betriebsarten Interrupts (Unterbrechungen) Das Problem der asynchronen Service-Anforderungen Das Interruptkonzept Interrupt-Behandlungsroutinen Aufschaltung und Priorisierung von Interrupts Vektorisierung und Maskierung von Interrupts, Interrupt-Controller Ausnahmen (Exceptions) Direct Memory Access (DMA) Aufgaben und Testfragen Beispielarchitekturen Die CPU08 von Freescale Übersicht Der Registersatz Der Adressraum Die Adressierungsarten Der Befehlssatz Unterprogramme Reset und Interrupts Codebeispiele Die MSP430CPU von Texas Instruments Übersicht Der Registersatz Der Adressraum Die Adressierungsarten Der Befehlssatz Reset und Interrupts Unterstützung für die ALU: Der Hardware-Multiplizierer Codebeispiele Der ARM Cortex-M Historie der ARM- und Cortex-Prozessoren Übersicht Der Registersatz des Cortex-M Der Adressraum und Adressierungsarten Der Befehlssatz Reset, Exceptions und Interrupts Schutzmechanismen des Cortex-M Erstellung von Software Kurzer Vergleich der drei Beispielarchitekturen 170

5 X Inhaltsverzeichnis 9.5 Aufgaben und Testfragen Speicherverwaltung Virtueller Speicher und Paging Speichersegmentierung Caching Warum Caches? Strukturen und Organisationsformen von Caches Ersetzungsstrategien Aktualisierungsstrategien Fallstudie: Intel Pentium 4 (IA-32-Architektur) Privilegierungsstufen Speichersegmentierung, Selektoren und Deskriptoren Paging Kontrolle von E/A-Zugriffen Caches Der Aufbau des Maschinencodes Aufgaben und Testfragen Skalare und superskalare Architekturen Skalare Architekturen und Befehls-Pipelining Superskalare Architekturen Mehrfache parallele Hardwareeinheiten Ausführung in geänderter Reihenfolge Register-Umbenennung Pipeline-Länge, spekulative Ausführung VLIW-Prozessoren Hyper-Threading Prozessoren mit mehreren Kernen Fallbeispiel: Core Architektur der Intel-Prozessoren Der 64-Bit-Registersatz Die Entwicklung bis zu Pentium Die Mikroarchitektur der Core Prozessoren Fallbeispiel: IA-64 und Itanium-Prozessor Aufgaben und Testfragen Energieeffizienz von Mikroprozessoren Was ist Energieeffizienz und warum wird sie gebraucht? Leistungsaufnahme von integrierten Schaltkreisen Verminderung der Leistungsaufnahme Das Advanced Control and Power Interface (ACPI) Praktische Realisierung von energieeffizienten Architekturen und Betriebsarten Mikrocontroller PC-Prozessoren Prozessoren für Subnotebooks Aufgaben und Testfragen 248

6 Inhaltsverzeichnis XI 13 Single Instruction Multiple Data (SIMD) Grundlagen Fallbeispiel: SIMD bei Intels IA-32-Architektur Die MMX-Einheit Die SSE-, SSE2-, SSE3- und SSE4-Befehle Aufgaben und Testfragen Mikrocontroller Allgemeines Typische Baugruppen von MikroControllern Mikrocontrollerkern (Core) Busschnittstelle Programmspeicher Datenspeicher Ein-/Ausgabeschnittstellen (Input/Output-Ports) Zähler/Zeitgeber (Counter/Timer) Analoge Signale Interrupt-System Komponenten zur Datenübertragung Bausteine für die Betriebssicherheit Energieeffizienz Die JTAG-Schnittstelle Software-Entwicklung Einführung Programmstruktur Header-Dateien Die Übertragung des Programmes auf das Zielsystem Programmtest Integrierte Entwicklungsumgebungen Fallbeispiel: Der MSP430 von Texas Instruments Der Watchdog Timer Digitale Ein- und Ausgänge Der Zähler/Zeitgeber Timer_A Der 10-Bit-Analog/Digital-Wandler ADC Serielle Schnittstellen Aufgaben und Testfragen Digitale Signalprozessoren Digitale Signalverarbeitung Architekturmerkmale Kern Peripherie Fallbeispiel: Die DSP56800-Familie von Freescale Kern der DSP DSP-Peripherie am Beispiel des DSP56F Aufgaben und Testfragen 314

7 XII Inhaltsverzeichnis Lösungen zu den Aufgaben und Testfragen 315 Literaturverzeichnis 326 Sachwortverzeichnis 329