Bau eines Prozessor-Modells für didaktische Zwecke (Kurztitel: Prozessor-Modell)

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1 Deutsches Gymnasium Biel Maturjahrgang 2003 Bau eines Prozessor-Modells für didaktische Zwecke (Kurztitel: Prozessor-Modell) Eine Maturaarbeit von Denis Simonet, Klasse 1e Betreuung: W. Schöchlin

2 1. Vorwort... 3 Alle, die die Arbeit durchgelesen und korrigiert/kritisiert haben Einleitung Der Prozessor Die Geschichte der Prozessoren Der Aufbau eines Prozessors Transistoren Gates Das Binärsystem Komponenten Mein Modell Einleitung Das Material Das Testen der ICs Der Bau des Modells Bedienungsanleitung Rückblick, Schlussfolgerungen, Gedanken Zusammenfassung Quellenverzeichnis

3 1. Vorwort = 10 Ich habe diese Behauptung als Anfang genommen, weil sie eigentlich recht viel über diese Arbeit aussagt: es geht ums Rechnen - und zwar in einem anderen Zahlensystem. Im dezimalen Zahlensystem gibt eins und eins natürlich zwei. Nur im Binärsystem ist es wirklich 10 aber nicht zehn, sondern eins null ausgesprochen. Im Verlauf der Arbeit wird noch ersichtlich werden, wieso man das überhaupt braucht und wie man die Zahlen umrechnet. Es folgt nun eine kleine Zusammenfassung, wie ich zur Wahl des Themas kam. Ich weiss nicht, wann ich das erste Mal an einem Computer sass. Ich weiss aber, dass ich von Anfang an davon fasziniert war. Ich kann mich erinnern, wie ich die ersten Versuche, mit Windows 3.1 umzugehen machte. Ich habe alles Mögliche ausprobiert, bis ich so viel wusste, dass es langweilig wurde, einfach so herumzuspielen. Deshalb begann ich mich auch für die Hardware zu interessieren. Ich habe angefangen, darüber zu lesen, als wir dann zu Hause einen Internetanschluss hatten, las ich auch viel im Internet nach. Bei der Wahl der Maturaarbeit wusste ich von Anfang an, dass ich etwas im Bereich Informatik machen wollte nur was? Ich habe lange daran herumstudiert, einige Vorschläge gemacht ich war aber von keinem so richtig begeistert. Dann kam mir die Idee, ein Modell eines Prozessors zu bauen. Ich wusste vorher noch nicht sehr viel über den Aufbau von Prozessoren, was mich auch motiviert hat, das zu machen. Weiter wollte ich unbedingt einen praktischen Teil haben, welchen ich beim Bau meines Modells auch hatte. Es folg nun der Versuch, mein gewonnenes Wissen in dieser Arbeit niederzuschreiben Danksagungen gehen an: Alle, die die Arbeit durchgelesen und korrigiert/kritisiert haben Alle, die mir sonst geholfen haben 3

4 2. Einleitung Mein Ziel ist der Bau eines Prozessor-Modells, welches veranschaulicht, wie Prozessoren funktionieren. Heute gibt es extrem schnelle Computer, welche sehr komplex sind. Es gibt verschiedene Standardschnittstellen wie PCI, AGP usw., womit man die Hardware erweitern, also neue Funktionen hinzufügen kann. Heutige Computer bestehen aus der CPU, dem RAM, der Festplatte, Mainboard, BIOS, anderen Komponenten und Peripheriegeräten. Was ich machen will ist nicht damit zu vergleichen. Mein Modell wird aus den Komponenten der CPU bestehen. Die CPU, welche bei den PCs sehr klein ist, wird beim Modell grösser sein und aus mehreren Bausteinen, welche miteinander verbunden sind, zusammengesetzt sein. Und man wird keine Graphikkarte oder ähnliches anschliessen können. Ziel ist zu zeigen, wie ein Prozessor funktioniert. Das Modell wird 4 Bits Daten- und 5 Bits Instruktionsbreite besitzen. Der Zustand und das Vorgehen im Modell wird durch Leuchtdioden dargestellt. Am Ende soll das Modell im Unterricht verwendet werden können, um die Funktionsweise eines einfachen Prozessors zu erklären. 4

5 3. Der Prozessor 3.1 Die Geschichte der Prozessoren Zur Geschichte der Prozessoren gehört die Entwicklung der Computer. Diese beginnt beim Abakus. Der Abakus tauchte bei den alten Römern auf, wurde von den Griechen aber schon vorher eingesetzt und wahrscheinlich kannten ihn die Ägypter und Babylonier auch schon. In Europa tauchte er aber erst um das Jahr tausend auf. Danach dauerte es ein paar hundert Jahre, bis im 17. Jahrhundert, durch die Fortschritte in der Mechanik, die erste Rechenmaschine erfunden wurde. Die Maschine war ein Monstrum, bestehend aus Räder- und Sperrklinken. Sie konnte Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren und Dividieren. Gottfried Wilhelm Leibniz gelang es 1672 eine Maschine zu konstruieren, bei welcher die Rechenart und die Eingangsdaten vorgegeben werden konnte. Das wichtige dieser Erfindung war aber, dass er das Dualsystem, welches nur aus den Ziffern 1 und 0 besteht, benutzte. Noch heute rechnen Computer mit binären Zahlen. Danach verstrichen 200 Jahre ohne nennenswerte Weiterentwicklungen. Charles Babbage entwarf von 1835 bis 1860 mit Staatlicher Unterstützung eine mechanische Rechenmaschine. Sie war in Modulen aufgebaut und enthielt ein Rechen- und Steuerwerk. Der Bau scheiterte aber an den damals unpräzisen Bauteilen. Erst mit der Elektromechanik wurde es möglich, solche Maschinen auch zu bauen. Für die Volkszählung in den USA im Jahre 1890 erfand Hermann Hollerith die Lochkarte. Somit war auch der erste Datenspeicher erfunden. Erst im Jahre 1930 wurde der alte Plan, eine vollautomatische Super-Rechenmaschine zu bauen, unter den Wissenschaftlern wieder aktuell. Die Erkenntnisse von Professor Norbert Wiener, basierend auf dem Entwurf für eine neue Rechenmaschine von Alan Mathison Turing, sind die Grundlagen für alle modernen elektronischen Rechenmethoden hat Howard H. Aiken diese Ideen mit dem Bau der ersten vollautomatischen Rechenmaschine umgesetzt. Erstmals rechnete man nicht mehr mit Hebeln und Schaltern, sondern mit Röhren, Relais und anderen elektrischen Schaltern. Es wurden danach von Software gesteuerte Maschinen gebaut, welche mit der Zeit auch mehr als nur rechnen konnten. Es stellte sich aber heraus, dass, wenn man schnellere Rechner bauen wollte, immer mehr Strom benötigt wurde und man immer grössere, zum Teil riesige, Computer, welche zwei Stockwerke hatten und ganze Hallen füllten, bauen musste. Die kaputten Teile pro (Abb. 1) Röhre (l), Transistor (r), IC (unten rechts) [1] Tag nahmen zu, wie auch die Hitze, die produziert wird. Die Lösung für diese Probleme ist der Transistor, der in den fünfziger Jahren erfunden wurde (Abb. 1). Transistoren sind kleine Schaltkreise, die grösstenteils aus einem Kristall bestehen. Sie sind viel kleiner als Röhren, geben viel weniger Wärme ab, verbrauchen fast keinen Strom, sind langlebiger und haben die gleiche Funktion wie Röhren. Sie wurden auf Kunststoffplatten gesetzt und miteinander verbunden. Dann wurde der IC (Integrated Circuit) entwickelt, ein Mikromodul, in welchem mehrere Transistoren und andere elektronische Bauteile integriert sind. In den Sechzigerjahren wurde der erste in dieser Technik konstruierte Rechner von IBM gebaut. Bis 1969 hat man wieder keine grossen Änderungen gehabt. In diesem Jahr hat das japanische Unternehmen Busicom den Auftrag erteilt, einen Satz Chips für eine programmierbare Rechenmaschine zu entwickeln. Da meinte ein Ingenieur dass man alles kleiner machen kann als geplant, mit nur vier Chips statt den geplanten zwölf. Doch niemand schenkte ihm Gehör hat Intel seine Idee wieder aufgenommen und die vier Chips in nur einem realisiert. Der Intel 4004, der erste Prozessor auf nur einem Chip, war 5

6 serienreif. Der Chip hatte in einer Kinderhand platz und brachte die gleiche Leistung, wie damals der Rechner, der einen ganzen Raum füllte. Er wurde kontinuierlich weiterentwickelt. Zuerst wurde er aber eher in der Industrie eingesetzt als in Heimcomputern. Intel entdeckte aber bald, dass man ihn in Computern für Heimanwender benutzen könnte und forschte weiter, bis IBM im Jahre 1981 einen PC mit einem Intel Prozessor baute. Der Prozessor wurde weiterentwickelt und brachte immer mehr Leistung. Heute gibt es Prozessoren mit einer Taktfrequenz von über 2GHz. Zum Vergleich: der erste Intel Prozessor hatte 108kHz, das ist etwa 2'000'000 mal langsamer. ([1] & [2]) 3.2 Der Aufbau eines Prozessors Einer der wohl bekanntesten Bestandteile eines Computers ist der Prozessor. Auf diesem kleinen Silizium-Chip finden fast alle Berechnungen im Computer statt. Wie dieser funktioniert, wird in diesem Kapitel erklärt Transistoren Der Transistor ist das wichtigste Element eines Chips. Er besteht hauptsächlich aus einem kristallinem Silizium, das der Hauptbestandteil von Sand ist. An der Oberfläche gibt es aber auch Bereiche, die Phosphor- und Bromspuren sowie dünne Siliziumoxidschichten und Aluminiumstreifen enthalten. Das Wichtigste an diesen Materialien sind ihre elektrischen Eigenschaften. Aluminium ist ein guter Leiter, da sich seine Elektronen frei bewegen können. Reines Silizium dagegen ist ein schlechter Leiter, da alle seine Elektronen fest in der Kristallstruktur eingebunden sind. Silizium mit Phosphorspuren gehört zu den Halbleitern, weil es einige freie Elektronen hat. Es kann ein wenig negative elektrische Ladungen leiten. Silizium mit Bromspuren ist beschränkt fähig, positive Ladungen zu leiten, weil ihm einige Elektronen fehlen. Silizium mit Phosphorspuren gehört zu den n-leitenden Halbleitern, Silizium mit Bromspuren zu den p-leitenden Halbleitern. Siliziumoxid (=Sand) ist ein schlechter Leiter, also ein guter, elektrischer Isolator. In Transistoren findet man die verschiedenen Halbleiter in bestimmten Anordnungen. Ein Transistor hat jeweils drei Ein-/Ausgänge. Sie heissen Kollektor, Basis und Emitter. Durch die elektrischen Halbleitereigenschaften wirkt ein Transistor als Schalter. Wenn die richtige Spannung an die Basis angelegt wird, kann ein Strom vom Kollektor zum Emitter fliessen. Ohne diese Spannung kann kein Strom fliessen Gates Eine Gruppe von mehreren Transistoren, die miteinander verbunden sind, nennt man Gate. Man kann zwei Transistoren so miteinander verbinden, dass nur dann Strom vom Kollektor des einen zum Emitter des anderen fliessen kann, wenn auf beiden Basisanschlüssen die geeignete Spannung anliegt. Diese Anordnung nennt man AND- Schaltung, welche gleich definiert wird. Wichtig an Gates ist es, dass sie nur zwischen zwei verschiedenen elektrischen Spannungen unterscheiden, die man mit 0 und 1 bezeichnet. Die Spannung zu den Transistoren kann zwar in einem Wertbereich variieren, die Schaltelemente erkennen die Spannung aber entweder als hoch (1) oder niedrig(0). Ein Gate hat mehrere Eingänge die, unabhängig voneinander, 1 oder 0 annehmen können und einen Ausgang, der entweder 0 oder 1 ist, abhängig von dem Eingangswerten. Als Beispiel zeige ich hier vier gebräuchliche Schaltungen: AND (und), OR (oder) XOR (exklusives oder) und NOT (nicht). Die AND-Schaltung liefert am Ausgang 1, wenn beide Eingänge 1 sind. Die OR-Schaltung liefert 1, wenn eine der beiden Eingänge (oder beide) gesetzt sind. XOR ist wie OR, nur wenn beide Eingänge gesetzt sind liefert es 0. Die NOT- 6

7 E1 E2 A E1 E2 A E1 E2 A E A AND-Schaltung OR-Schaltung XOR-Schaltung NOT-Schaltung Schaltung invertiert das Eingangssignal, liefert also bei 0 eine 1. Zur Verdeutlichung drei Wahrheitstabellen (E1 steht für Eingang 1, E2 für Eingang 2, A für Ausgang): Weil Computer mit 0 und 1 arbeiten, werden in praktisch allen digitalen Computern die Daten mit Codes, die aus Nullen und Einsen bestehen, dargestellt. Der Computer rechnet also im Binärsystem Das Binärsystem Im Gegensatz zum Computer rechnen wir im Alltag im Dezimal system, also mit der Basis 10. In diesem Kapitel wird nur ein sehr flüchtiger Einblick in die Zahlensysteme geboten. Das Binärsystem, in dem Computer rechnen, hat die Basis 2. Die Zahl 2003 im Dezimalsystem sieht so aus: 10 3 = = = = Die Zahl setzt sich also aus 2x1000, 0x100, 0x10 und 3x1 zusammen. Da die Zahl 2003 im Binärsystem zu viele Stellen hat, nehme ich für das Beispiel für eine Binärzahl 1101: 2 3 = = = = Das sind 1x8, 1x4, 0x2 und 1x1, die Zahl lautet im Dezimalsystem also = Komponenten Damit es nicht all zu kompliziert ist, einen Computer zu Bauen, hat man ihn in Komponenten aufgeteilt, die aus verschiedenen Gates bestehen. Es folgen die wichtigsten Komponenten eines Computers. Neben diesen Komponenten existiert noch eine ALU, die für das Rechnen zuständig ist und etwa das Wichtigste in einem Computer ist. Ich werde hier aber nicht erklären, wie eine ALU aufgebaut ist, da dies später noch erklärt wird. Im Moment reicht es zu wissen, dass sie logische und arithmetische Operationen mit zwei Operanden durchführen kann. Der Speicher Es ist wichtig für Computer, dass sie sich an Daten erinnern können. Eine Komponente, die entweder 0 oder 1 speichern kann, heisst Flip-Flop. Ein Flip-Flop, das aus Gates zusammengesetzt werden kann, hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Ein Eingang ist für die Information, die man speichern will, der Andere um den Schreibmodus zu wechseln. Im Ausgang steht das Ergebnis. Nur wenn Schreibmodus-Eingang auf 1 gesetzt ist, können neue Daten gespeichert werden. Wenn der Schreiben-Eingang auf 0 gesetzt wird und danach der Dateneingang sich ändert, bleibt das Ergebnis am Ausgang gleich. Man nennt ein Ding, das den Wert 0 oder 1 annehmen kann, ein Bit (binary digit). Ein Flip- Flop kann also ein Bit Information speichern. Computer brauchen aber mehr als nur ein Bit an Information. Ein Buchstaben z.b. braucht 7

8 mehr als ein Bit um ihn zu speichern. Deshalb behandeln Computer die Daten in Bündeln, die eine feste Länge haben. Man nennt ein solcher Bündel auch ein Wort. Bei einem 32 Bit Prozessor ist die Wortlänge 32 Bit. Um ein Wort von x bit Länge zu speichern, braucht es x Flip-Flops. Eine solche Gruppe von Flip-Flops heisst Register. Um ein Programm laufen zu lassen, muss eine grosse Datenmenge temporär gespeichert werden können. Man nennt diesen Speicher RAM. Er besteht aus Tausenden von Registern. Die Speicherstellen sind durchnummeriert, haben also alle eine Nummer, 0, 1, 2, 3,.... Diese Nummern heissen Adressen. Jede Speicherstelle hat also eine eindeutige Adresse. Der Datenbus Da ein Computer aus mehreren Komponenten besteht, muss er Daten zwischen ihnen austauschen können. Das erreicht man mit Datensammelwegen, die Bus genannt werden. Ein Bus ist eigentlich nur eine Ansammlung von Drähten, die verschiedene Komponenten verbinden. Die Zahl der Drähte ist meistens mit der Wortgrösse identisch. Ein 32 Bit Computer hat also meistens 32 Drähte, damit ein Wort in einem Bündel und in einem Schritt zu einer anderen Komponenten übertragen werden kann. Da ein Datenbus nur ein Wort auf einmal übertragen kann, muss festgelegt werden können, welche Komponente den Bus wann benutzen darf. Das kann man mit einer AND- Schaltung erreichen, die nach jeder Komponente an den Datenbus gekoppelt wird. Die Daten können jetzt nur durch, wenn ein Steuersignal auf die AND-Schaltung gegeben wird. (Abb. 2) Wenn das Steuersignal 1 gesetzt wird, werden die Daten von Komponente A über den Bus zu den Komponenten X, Y und Z übertragen. Das gleiche gilt für Komponente B, wenn das Steuersignal 2 gesetzt ist. Der Taktgeber und das Steuerwerk Wie oben erklärt wurde, bestehen Computer aus verschiedenen Komponenten, die über Busse miteinander verbunden sind. Die Komponenten benötigen Steuersignale, um ihre Datenübertragungen zu koordinieren. Ein Steuersignal kann also zum Beispiel bestimmen, wann ein Flip-Flop die Daten am Eingang speichert und welche Komponenten ihre Daten auf den Datenbus geben dürfen. Diese Steuersignale werden vom Steuerwerk erzeugt. Es ist dafür verantwortlich, dass die richtigen Daten zum geeigneten Zeitpunkt übertragen werden. Ein wichtiger Teil des Steuerwerks ist der Taktgeber, der in regelmässigen Abständen Signale erzeugt. Das Steuerwerk benutzt diese Signale, um sicherzustellen, dass alle Komponenten miteinander synchronisiert arbeiten und dass jede Komponente genug Zeit für die Abarbeitung einer Operation hat. Das RAM Das RAM besteht aus einer Reihe von Speichern. Diese Speicher sind adressiert, also durchnummeriert. Wenn ein Computer etwas machen soll, werden zuerst alle Programmbefehle, die der Prozessor durchführen soll, in das RAM geschrieben. Danach werden alle Befehle der Reihe nach aus dem RAM gelesen und durchgeführt mit einem Zähler, der die momentane Position gespeichert hat und jedes mal um 1 erhöht wird. 8

9 4. Mein Modell 4.1 Einleitung Vor dem Bau eines Modells muss man einige Überlegungen anstellen, wie es aussehen soll und aus was es gebaut wird. Zusätzlich muss man die einzelnen Bauteile kennen, um sie benutzen zu können. Deshalb musste ich die verschiedenen Schaltungen auch ausprobieren, bevor ich sie im Modell richtig einsetzen konnte. Ich habe zwei Modelle gebaut, eines zum Testen der ICs und eines, welches das definitive ist. Es folgt nun ein Kapitel über das Material, aus dem ich die Modelle gebaut habe und eines über die Probleme, die auftauchten. Danach kommen zwei Kapitel über den Bau und eine Anleitung des zweiten Modells. Am Schluss folgt noch ein kleiner Rückblick und Schlussfolgerungen/Gedanken. 4.2 Das Material Grundlage des Modells bildet die TTL Technologie, eine Familie der ICs (Abb. 2). Der Vorteil von TTL ist, dass es nicht auf statische Ladungen empfindlich ist, im Gegensatz zu CMOS. Das Modell ist nicht für die Verwendung, sondern für das Erklären von Computern gedacht. Das hat zur Folge, dass es sehr viel angefasst wird. Deshalb ist es besser, wenn die ICs nicht empfindlich auf statische Ladungen sind. Für das Anzeigen von Bits, die gesetzt sind, verwende ich Leuchtdioden. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Lämpchen brauchen sie wenig Strom für den Betrieb und sind deshalb besser geeignet, weil nur kleine Ströme zwischen den ICs fliessen. Bits werden mit Umschaltern gesetzt. Diese haben drei Zustände: an, aus und undefiniert. Weshalb ich diese Umschalter benötige und nicht einfache Schalter, wird im Kapitel 4.4 (Der Bau des Modells) erklärt. Das Ganze kommt auf eine Platine mit 27 Leiterbahnen. Um kaputte ICs einfach und schnell austauschen zu können, arbeite ich mit Sockeln, die auf die Platine gelötet werden. So kann man die ICs ganz einfach aufstecken und im Fall, dass ein Bauteil kaputt geht, ist es schnell ausgewechselt. (Abb. 2) Ein IC, von oben und von unten 9

10 (Abb. 3) Das Experimentiersystem 4.3 Das Testen der ICs Um die ICs auszuprobieren, war es nicht praktisch, alle ICs gleich auf eine Platine zu löten. Einerseits weil sie danach wiederverwendet werden sollen und andererseits, um schnell die ICs oder Verbindungen austauschen/umstecken zu können. Das konnte ich mit einem System mit dem Namen The Expanded Breadboard System der Firma Scotchflex realisieren (Abb. 3). Dieses System ermöglicht ein schnelles Umstellen der Kontakte mit Drähten, die mit einem speziellen Werkzeug an die Unterseite der Platine gesteckt werden. Damit konnte ich mit dem Testen beginnen. Dabei ergaben sich einige Schwierigkeiten: Ein Problem war die Spannung. Keine Spannung und 0V sind nicht das gleiche. Da ich nur Ein- und Ausschalter hatte, musste ich eine spezielle Schaltung bauen. Ein weiteres Problem tauchte bei den Leuchtdioden auf. Erstens brauchen sie einen Vorwiderstand, damit sie nicht gleich kaputt gehen. Zweitens braucht es einen Treiber (Hex-Buffer), um den Strom der Ausgangssignale zu verstärken, damit die Diode heller bzw. überhaupt leuchtet, weil der Strom bei den Ausgängen der ICs nur sehr schwach ist. Damit ist das Problem der Schalter und Leuchtdioden gelöst. Als nächstes werde ich zwei ICs, die ich ausprobiert habe, kurz erklären. Die ALU ALU steht für Arithmetic Logic Unit. Auf Abb. 4 ist die Anschlussbelegung der ALU, die ich für das Modell verwende, abgebildet. Dieser Bauteil ist sozusagen das Herz meines Modells (wie auch bei richtigen Computern). Sie ist für das Rechnen zuständig. Man gibt zwei Operanden ein, wählt aus, wie man sie verarbeiten will und das Ergebnis ist ein neuer Operand. [4] (Abb. 4) Anschlussbelegung der ALU Die Operanden werden an A 0 -A 3 und B 0 -B 3 invertiert eingegeben (Abb. 3). Invertiert heisst, dass alle 1 eine 0 sind und umgekehrt. Die Zahl 2, binär 0010, wird also als 1101 eingegeben. Das Resultat kommt (auch invertiert) bei F 0 -F 3 raus. Wenn das Resultat mehr als 4 Bit wäre, wie zum Beispiel nach der Operation , ist das Carry-flag (C n ) gesetzt. Es ist ein Übertrag, wie beim schriftlichen Addieren. Bei meinem Modell bedeutet das gesetzte Carryflag ein Überlauf, das Resultat kann nicht mehr dargestellt werden. Mit S 0 -S 3 (Tabelle 1) wählt man die Operation aus, welche die ALU mit den beiden Operanden 10

11 durchführen soll. Weiter gibt es M, mit dem man zwischen Arithmetischen und Logischen Operationen umschaltet, also zwischen den beiden Spalten in der Tabelle 1 wechseln (Arithmetic und Logic). Die restlichen Funktionen/Ausgaben sind für meinen Verwendungszweck nicht wichtig, ich werde sie deshalb auch nicht erklären. Im Anhang und auf der beigelegten CD befindet sich ein Datenblatt (in Englisch). [4] (Tabelle 1) Operationstabelle Das Register: Ein Register ist dazu da, sich Bits zu merken, sie also auch noch zu kennen, nachdem das Eingangssignal weg ist. Bei dem Register werden die Bits 1D-4D gesetzt (Abb. 5). Wenn man ein Signal auf Clock (CLK) gibt, werden die Bits 1Q-4Q den gleichen wert haben, wie 1D-4D. Diese werden gespeichert, so dass auch nachdem 1D-4D nicht mehr gesetzt sind, sie erhalten bleiben. Es ist also ein Speicher. Mit Clear (CLR) kann man die Ausgabe wieder löschen. M, N, G2 und G1 sind dazu da, um einzustellen zu können, ob man neue Signale entgegennimmt bzw. die Signale an 1Q-4Q ausgeben will. Das ist wichtig, falls das Register an einen Daten-Bus angeschlossen ist. [5] (Abb. 5) Das Register Zusätzlich zu diesen zwei ICs verwende ich noch folgende Bauteile: Hex Buffer: der Treiber für die Leuchtdioden Inverter: Invertiert ein Bit, aus 1 wird 0 und umgekehrt. Widerstände: damit die Leuchtdioden nicht verbraten Leuchtdioden: zum Anzeigen von Bits Diese Bauteile benötigen aber keine nähere Erklärung, da sie in Kapitel 4.5, Bedienungsanleitung, erklärt werden. 4.4 Der Bau des Modells Der Bau des richtigen Modells war weniger problematisch als der des Testmodells. Einerseits wusste ich durch das Testen schon, worauf ich achten muss (was ja der Sinn des Testens war), andererseits hatte ich schon mehr Übung im Fehler suchen. Das Modell ist wieder mit Sockeln gestaltet, aber diesmal sind die Sockel auf die Platine gelötet und 11

12 die einzelnen Füsschen der ICs durch die Leiterbahnen und Drähte verbunden. Um keinen unerwünschten Kontakt mit anderen ICs herzustellen, musste ich viele Leiterbahnen unterbrechen. Die ICs und anderen Bauteile, die ich verwendet habe, sind in Kapitel 4.3 schon aufgelistet. Wie schon erwähnt, war der Bau des definitiven Modells weniger kompliziert, dafür war es zeitaufwändiger und fehleranfälliger. Ich hatte sehr viele Probleme, als ich es das erste Mal getestet hatte. Und einen Fehler bei so vielen Drähten zu finden, ist eine Freude alle Kontakte durchtesten, Bauteile prüfen, Bedienungsanleitung Am Besten erkläre ich das Modell an einem Beispiel. Nehmen wir an, wir wollen 1 und 2 zusammenzählen. Ich habe absichtlich ein banales Beispiel genommen, damit es möglichst einfach verständlich ist. 1 ist binär auch 1, also Zuerst muss mit S1 der 2. Operand eingegeben werden, der ins Register B gelangen soll. Dazu setzt man S1 auf 0001 und S2 auf 1111, damit am Ausgang der Operand A unverändert raus kommt. Dann muss man den Schalter S3 drücken, der Clock auf high setzt (S3 ist nicht auf dem Plan eingezeichnet), damit der Wert im Register A zur ALU wandert und im Register C gespeichert wird. Mit dem Drücken von S4 (auch nicht auf dem Plan) wandert der Operand vom Register C ins Register B. Damit ist Register B gesetzt. S1 wird jetzt auf 0010 (dezimal 2) gesetzt. Register A ist jetzt auf 2, Register B auf 1 gesetzt. Jetzt muss S2 auf Addition umgeschaltet werden, das ist Durch Drücken von S3 werden die Operanden in Register A und B zusammengezählt und ins Register C ausgegeben. Die Leuchtdiodenreihe sollte jetzt 0010 anzeigen - im Dezimalsystem ist das 2. Nach diesem Schema sollten alle Operationen durchführbar sein. Jetzt könnte das Resultat wieder weiterverwendet werden, indem S4 gedrückt wird und der Operand im Register C wieder ans Register B weitergegeben wird. 12

13 Wie ich weiter oben schon erwähnt habe, gibt es Leuchtdiodenreihen. Diese zeigen die Zustände der einzelnen Bits an. Wie man beim Modell vielleicht sieht, sind die Register nicht direkt mit den Leuchtdioden und der ALU verbunden, sondern gehen zuerst zu einer IC, und erst dann zur ALU und zu den Leuchtdioden. Das hat natürlich seinen Grund: Für die Leuchtdioden ist der Strom, der aus der ALU und den Registern kommt zu schwach, um hell zu leuchten. Deshalb muss er verstärkt werden. Das passiert beim Treiber (T1 und T2), ein Hex Buffer. Von diesem Treiber aus können dann die Signale an die Leuchtdioden geleitet werden, welche dann hell leuchten. Der zweite IC, der zwischen Register A und der ALU ist, ist ein Inverter. Da die ALU alle Bits invertiert, also die 1 und 0 vertauscht, erwartet, müssen die Eingangssignale zuerst invertiert werden. Es wäre natürlich auch ohne Inverter möglich gewesen, dann hätten aber alle Bits invertiert eingegeben werden müssen und das ist nicht sehr anwenderfreundlich. Legende zum Schaltplan: A Register A B Register B C (Resultaten-) Register C I Inverter T Treiber (Hex-Buffer) R Schutzwiderstände, damit die LEDs nicht verbraten S1 Schalter um Operand 1 einzugeben S2 Operations-Auswahl bei der ALU (invertiert eingeben!) LED Leuchtdioden Beim endgültigen Modell gibt es noch 4 weitere Schalter (Knöpfe): - Einen für das Clock-Signal von Register C - Einen für das Clock-Signal von Register A und B - Einen für Clear bei allen Registern sozusagen reset - Einen zum Auswählen ob man Arithmetisch oder Logische Operationen durchführen will Die LEDs werden alle Bits anzeigen, nicht gesetzt = sie leuchten nicht, gesetzt = sie leuchten. Weiter werden sie einen Bufferoverflow (überlauf) anzeigen, wenn das Resultat mehr als 4 bit hat das ist einfach an Cn angeschlossen. 13

14 4.6 Rückblick, Schlussfolgerungen, Gedanken Ich habe recht lange an dem Modell gearbeitet. Dabei ist mir aufgefallen, dass das Projekt eigentlich viel grösser war, als ich zuerst dachte. Ich meine, man kann denken ein Prozessormodell ein paar Bauteile miteinander verbinden, fertig. Genau das habe ich zuerst auch gedacht. Das ist aber nicht so. Es ist zwar einfach, ein sehr simples Modell zu bauen. Aber sobald man das komplexer machen will, programmierbar, mit RAM (vielleicht sogar noch selber bauen und ALU auch selber bauen), dann artet das in Arbeit aus! Ich habe beim definitiven Modell kein RAM eingebaut ich hatte aber mit dem Rest schon viel zu tun. Eigentlich ist es schade, dass ich kein RAM einbauen konnte, da das eigentlich doch zum Prozessormodell gehört. Es war auch Teil der Zielsetzungen im Maturaarbeitsvertrag mit meinem Betreuer. Es hat dafür aber nicht gereicht ja, zum einen, weil ich keine Lust hatte, das auch noch einzubauen, nachdem ich schon so lange am Rest gearbeitet hatte zum anderen aber auch, weil ich keinen Platz mehr auf der Platine hatte. Und weil ich es hätte selber bauen müssen. Es gibt RAMs in Form von ICs, nur sind die alle zu gross für meinen Zweck. Mein Modell hat also auch keinen Zähler, kein Steuerwerk. Das alles wäre aber der nächste Schritt, wenn man das Modell noch erweitern möchte. Meiner Meinung nach ist das Modell aber so, wie ich es geplant habe, doch für den Unterricht einsetzbar. Man kann eine Vorstellung darüber gewinnen, was in einem Prozessor passiert. 5. Zusammenfassung Ich habe in meiner Maturaarbeit das Thema (Mikro-)Prozessoren behandelt und ein Mikroprozessormodell für didaktische Zwecke gebaut. Als ich die Arbeit begann, wusste ich zwar, dass der Bau des Modells sicher eine Herausforderung wird. Die Theorie hat mir eigentlich nicht sehr grosse Schwierigkeiten gemacht, (ich musste übrigens auch etwas über Elektronik lesen, um das Modell zu realisieren wegen den Leuchtdioden und Schaltern, weil ich anfänglich Probleme hatte). Eher der Bau des Modells war das Problem. Ich wollte eines mit RAM, Registern, ALU, Zählwerk,... bauen - also alles haben, was direkt zu einem Prozessor gehört. Mit der Zeit wurde mir aber immer klarer, dass es schwer ist, all das zu realisieren. Ein Problem war, dass ich zuerst einmal überhaupt die Bauteile finden musste. Ich musste zuerst die ICs auswählen, bestellen und sie testen. Dabei wollte ich auch ein RAM bestellen, von denen es aber nur noch viel zu Grosse gibt, die für meine Zwecke nicht brauchbar waren. Die ALU war zuerst nirgends auftreibbar. Ich dachte schon, ich müsse die ALU selber bauen. Glücklicherweise hat mein Betreuer (Herr Schöchlin) aber eine Firma in den USA gefunden, welche noch ein paar ALUs auf Lager hatte (Das Porto ist übrigens recht hoch bei Lieferungen aus den USA!). Die anderen Bauteile waren leicht zu finden. Ich hatte nach der Bestellung dann verschiedene TTL Bauteile. Diese habe ich getestet. Danach musste ich mir überlegen, wie ich das Modell aufbauen will. Darauf überlegte ich mir, wie ich das RAM realisiere - ich hätte es selber bauen müssen. Das hätte noch einmal sehr viel Platz auf der Platine weggenommen und ich hätte noch mehr Teile testen müssen, was noch einmal sehr viel Zeit in Anspruch genommen hätte. Ich habe das RAM aber nicht wegen dem Zeitaufwand, sondern wegen dem Platz auf der Platine sein lassen es wären noch viel mehr Drähte gewesen, das ganze noch viel unübersichtlicher. In der Theorie wäre es nicht so schwer, das Modell zu bauen. In der Praxis braucht es aber viele Drähte, die Fehleranfälligkeit ist recht hoch, es benötigt hohe Konzentration. Schlussendlich habe ich ein Prozessormodell ohne RAM gebaut. Es ist demzufolge nicht programmierbar, man muss jeden Schritt gleich ausführen lassen und kann nicht alle Schritte, die man machen will, in ein RAM laden und dann das durchlaufen lassen (wie es in richtigen Prozessoren der Fall ist). Jetzt ist es ein Schritt-für- 14

15 Schritt Modell, das wenigstens Ansätze von richtigen Prozessoren hat halt einfach ohne RAM. Man kann aber das den Wert im Resultat-Register trotzdem weiterverwenden, nur muss man nach jedem Schritt den 1. Operand neu eingeben und die Operation, die man in der ALU durchführen will, neu einstellen und danach durch Knopfdruck die Daten durch die ALU lassen. Fazit: ich hätte selber gerne ein Modell mit RAM und (folglich) Programmierfähigkeit gebaut. Nur hat es leider nicht gereicht das Projekt war viel grösser, als ich anfänglich geglaubt hatte. Auf dem Bild oben sieht man, wie das Modell etwa aussieht noch ohne LEDs und noch nicht als Vorführmodell geeignet In der schönen Version wird das Modell dann mit den Leuchtdioden die bits anzeigen, die Drähte werden noch ein wenig gebündelt und die LEDs sollten noch beschriftet werden vielleicht auch die Register und Schalter. 15

16 6. Glossar Abkürzung Ausgeschrieben Erklärung TTL Transistor Transistor Logic eine Familie der Ics CPU Central Processing Unit Der Mikroprozessor in modernen PCs PC Personal Computer ALU Arithmetic Logic Unit RAM Random Access Memory LED Light Emitting Diode Leuchtdiode Bit Binary Digit 7. Quellenverzeichnis [1] [2] [3] Goldschlager/Lister: Informatik Eine moderne Einführung, 2. Auflage Carl Hanser Verlag München Wien [4] Datenblatt von Fairchild Semiconductor Corporotion (kann auf der CD oder im Anhang gefunden werden) [5] Datenblatt von Texas Instruments (kann auch auf der CD oder im Anhang gefunden werden) 16