Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Transkript

1 Springer-Lehrbuch

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Uwe Brinkschulte Theo Ungerer Mikrocontroller und Mikroprozessoren Mit 205 Abbildungen und 39 Tabellen 'Springer

4 Prof. Dr. Uwe Brinkschulte Universităt Karlsruhe Fakultăt fur Informatik Engler-Bunte Ring Karlsruhe brinks@ira.uka.de Prof. Dr. Theo Ungerer Universităt Augsburg Institut fur Informatik Eichleitnerstr Augsburg theo.ungerer@informatik. uni-augsburg.de ACM Computing Classification (1998): B.O, C.l ISBN Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Brinkschulte, Uwe: Mikrocontroller und Mikroprozessoren / Uwe Brinkschulte; Theo Ungerer. (Springer Lehrbuch) ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Verviel00tigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetziichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuliissig. Sie ist grundsiitziich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. C Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heide1berg New York 2002 Softcover reprint of the hardcover 1St edition 2002 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dai! so1che Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Umschlaggestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen von den Autoren Gedruckt auf siiurefreiem Papier SPIN: /3142 KH

5 Für meine Frau Angelika und unsere Tochter Melanie Uwe Brinkschulte Für meine Frau Gertraud und unseren Sohn Lorenz Theo Ungerer

6 Vorwort Kaum eine technische Entwicklung hat unser Leben und unsere Umwelt nachhaltiger beeinflusst als Mikrocontroller und Mikroprozessoren. Das vorliegende Buch vermittelt einen Einblick in die Welt dieser Bausteine. Von elementaren Grundlagen bis hin zu Zukunftstechnologien und Forschungstrends werden Konzepte, Funktionsprinzipien und Aufbau allgemein erläutert und anhand von Beispielen näher dargestellt. Nach allgemeinen Definitionen und Grundlagen in Kapitel I führt Kapitel 2 die elementaren Techniken und Prinzipien von einfachen Mikroprozessoren ein. Darauf aufbauend erläutert Kapitel 3 Strukturen, Konzepte und Funktionsweisen von Mikrocontrollem. Es werden weiterhin industrielle Mikrocontrollerfamilien und aktuelle Forschungstrends vorgestellt. Kapitel 4 behandelt die für einen Mikrocontroller typischen Komponenten im Detail. Konkrete Beispiele aus Industrie und Forschung vertiefen in Kapitel 5 diese Betrachtungen und schließen den Themenkreis Mikrocontroller ab. Kapitel 6 führt dann in die Techniken moderner Hochleistungsmikroprozessoren ein. Die Vertiefung erfolgt in Kapitel 7, das sich den Techniken der Superskalarprozessoren im Detail widmet. Kapitel 8 behandelt die Speicherhierarchie eines Mikrorechnersystems und legt dabei den Schwerpunkt auf Cache-Speicher und virtuelle Speicherverwaltung. Kapitel 9 zeigt einige aktuelle Beispiel-Mikroprozessoren. Kapitel I 0 rundet dieses Themenkreis durch einen Blick auf zukünftige Mikroprozessortechnologien ab. Kapitel II beendet schließlich das Buch mit einer kurzen Zusammenfassung. Zielgruppe dieses Buchs sind Studierende der Informatik und Elektrotechnik mittleren und höheren Semesters sowie in der Praxis stehende Computerexperten, die mit der Entwicklung, der Planung und dem Einsatz von eingebetteten Systemen und von Mikrorechnersystemen befasst sind. Das Buch soll helfen, die Leistungsfähigkeit und Grenzen der eingesetzten Mikrocontroller und Mikroprozessoren beurteilen zu können. Darüber hinaus gibt das Buch einen Einblick in den Stand der Forschung und ermöglicht es, zukünftige Entwicklungen im Voraus zu erkennen. Unseren Frauen, Angelika Brinkschulte und Dr. phil. Gertraud Ungerer, danken wir herzlich für das sorgfältige Korrekturlesen und die vielen stilistischen Verbesserungen. Weiterer Dank geht an unsere Lektoren beim Springer-Verlag, Frau Gabriete Fischer sowie die Herren Hermann Engesser und Frank Schmidt. Ergänzungen, Korrekturen, Vortrags- und Vorlesungsmaterialien finden sich auf den Homepages des Buchs (siehe nächste Seite), die auch über die Homepages der Autoren zu erreichen sind.

7 VIII Vorwort Für Ergänzungen, Anregungen und Korrekturen der Leserinnen und Leser sind wir immer dankbar. Zu erreichen sind wir unter und Karlsruhe und Augsburg, Juni 2002 Uwe Brinkschulte und Theo Ungerer Buch-Homepages: Homepages der Autoren: informatik. uni-augsburg.de/-ungerer/

8 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC... I 1.2 PC-Systeme Eingebettete und ubiquitäre Systeme Leistungsmessung und Leistungsvergleich Grundlegende Prozessortechniken Befehlssatzarchitekturen Prozessorarchitektur, Mikroarchitektur und Programmiermodell Datenformate Adressraumorganisation Befehlssatz Befehlsformate AdressierungsaTten CISC- und RISC-Prinzipien Befehlssatzbeispiele Frühe RISC-Rechner Das Berkeley RISC-Projekt Die DLX-Architektur Einfache Prozessoren und Prozessorkerne Von-Neumann-Prinzip Grundlegender Aufbau eines Mikroprozessors Einfache Implementierungen Pipeline-Prinzip Befehls-Pipelining Grundlegende Stufen einer Befehls-Pipeline Die DLX-Pipeline Pipeline-Konflikte Datenkonflikte und deren Lösungsmöglichkeiten Steuerflusskonflikte und deren Lösungsmöglichkeiten Sprungzieladress-Cache Statische Sprungvorhersagetechniken Strukturkonflikte und deren Lösungsmöglichkeiten Ausfiihrung in mehreren Takten Weitere Aspekte des Befehls-Pipelining... 70

9 X Inhaltsverzeichnis 3 Mikrocontroller Abgrenzung zu Mikroprozessoren Anwendungsfelder Prozesssteuerung Steuerung von Bedienelementen Leistungsklassen und industrielle Mikrocontrollerfamilien Auswahlkriterien für den Einsatz von Mikrocontrollern Software-Entwicklung... I Forschungstrends Systems-on-Chip (SoC) Energiespar-Techniken... IIO Java und Java-Prozessoren für eingebettete Systeme Mikrocontroller-Komponenten Prozessorkerne Ein-/ Ausgabeeinheiten Anhindung an den Prozessorkern Digitale parallele Ein-/ Ausgabeeinheiten Digitale serielle Ein-/ Ausgabeeinheiten Wandlung zwischen analogen und digitalen Signalen Zeitgeberbasierte Einheiten Zähler und Zeitgeber Capture- und Compare-Einheit Pulsweitenmodulator Watchdog-Einheit Echtzeit-Ein-/ Ausgabeeinheiten Speicher Festwertspeicher Schreib-/Lesespeieher Unterbrechungssteuerung DMA Erweiterungsbus Beispiele verschiedener Mikrocontroller MC68HC 11 E -ein einfacher Mikrocontroller Prozessorkern Unterbrechungsbehandlung Speicher und Adressraum Ein-/ Ausgabeeinheiten und Zähler/Zeitgeber Erweiterungsbus MC ein Mikrocontroller mittlerer Leistung Prozessorkern Unterbrechungsbehandlung Speicher und Adressraum Ein-/ Ausgabeeinheiten und Zähler/Zeitgeber Erweiterungsbus

10 Inhaltsverzeichnis XI 5.3 PXA250- ein Hochleistungs-Mikrocontroller Prozessorkern Unterbrechungsbehandlung Speicher und Adressraum Ein-/ Ausgabeeinheiten und Zähler/Zeitgeber Erweiterungsbus MCore- optimiert fiir niedrigen Energieverbrauch Reduktion der Busaktivitäten und Erhöhung der Code-Dichte Statisches Power-Management Dynamisches Power-Management Komodo- ein Forschungs-Mikrocontroller Prozessorkern Echtzeit-Scheduling Unterbrechungsbehandlung Anhindung der peripheren Komponenten Evaluierungs-Ergebnisse Hochperformante Mikroprozessoren Von skalaren RISC- zu Superskalarprozessoren Komponenten eines superskalaren Prozessors Superskalare Prozessor-Pipeline Präzisierung des Begriffs "superskalar" Die VLIW-Technik Die EPIC-Technik Vergleich dersuperskalar-mit der VLIW- und der EPIC-Technik Die Superskalartechnik I Befehlsbereitstellung Code-Cache-Speicher Befehlsholestufe Trace Cache Sprungvorhersage und spekulative Ausfiihrung Grundlagen Dynamische Sprungvorhersagetechniken Ein- und Zwei-Bit-Prädiktoren Korrelationsprädiktoren Zweistufig adaptive Prädiktoren gselect- und gshare-prädiktoren Hybridprädiktoren Zuverlässigkeitsabschätzung Weitere Prädiktoren zur Interferenzverringerung Prädikation Mehrpfadausfiihrung Vorhersage bedingter Sprungbefehle mit indirekter Adressierung Stand der Technik

11 XII Inhaltsverzeichnis Sprungvorhersage mit hoher Bandbreite Decodierung und Registerumbenennung Decodierung Registerumbenennung Befehlszuordnung Ausfiihrungsstufen Gewährleistung der sequenziellen Programmsemantik Rückordnungsstufe Präzise Unterbrechungen Rückordnungspuffer Verzicht auf die Sequenzialisierung bei der Rückordnung Speicberverwa1tung Speicherhierarchie Register und Registerfenster Virtuelle Speicherverwaltung Cache-Speicher Grundlegende Definitionen Grundlegende Techniken Verringern der Fehlzugriffsrate Verringern des Fehlzugriffsaufwandes Verringern der Cache-Zugriffszeit bei einem Treffer Cache-Kohärenz und Speicherkonsistenz Busschnüffeln und MESI-Protokoll Speicherkonsistenz Beispiele mr Mikroprozessoren PentiumPro, Pentium II und Pentium III Athlon Pentium Zukunftstechniken mr Mikroprozessoren Technologieprognosen Stand der Technik und Grenzen heutiger Prozessortechniken I 0.3 Prozessortechniken zur Erhöhung des Durchsatzes eines Kontrollfadens Weiterentwicklungen des Trace Cache Datenabhängigkeits-, Adress- und Wertespekulationen I Vielfach superskalare Prozessoren Prozessortechniken zur Erhöhung des Durchsatzes einer mehrfädigen Last I Chip-Multiprozessor Prozessor-Speicher-Integration Mehrfädige Prozessoren Kontrollfadenspekulation Multiskalarer Prozessor

12 Inhaltsverzeichnis XIII Trace-Prozessor Weitere Techniken der Kontrollfadenspekulation Zusammenfassung Literatur Sachverzeichnis