Einführung in die Computertechnik

Transkript

1 Einführung in die Eine Einführung in Strukturprinzipien von Computern aus hardwarenaher Sicht H. Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik WS 04/05 Für die Mehrzahl der Anwender sind Computer Werkzeuge, die als Mittel zum Zweck zu funktionieren haben. Diese Anwender machen sich wenig Gedanken über die inneren Eigenschaften der Computer, die erst die Gesamtleistung ermöglichen. Für diejenigen, die besondere Leistungen von Computern verlangen, z. B. auf dem Gebiet der Zuverlässigkeit und Sicherheit, ist das kritische Verständnis aller Merkmale des inneren Aufbaus wichtig, also der Software und der Hardware. Diese Vorlesung soll an konkreten aktuellen gerätetechnischen Beispielen zeigen, welche strukturellen Merkmale die Leistungen von modernen Computern im Bereich der Personal Computer und der Workstations maßgeblich bestimmen. Dazu gehört auch ihre physikalische Einbindung in Netze. Das eine oder andere Beispiel wird durch die rasante Entwicklung unwichtig werden. Die bewährten Verfahren werden bleiben.

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung der Die Erzeugung von integrierten Schaltungen Der Integrationsgrad Die minimale auflösbare Strukturbreite Ausblick in die Zukunft Entwicklung der Speicherchips Entwicklung der Mikroprozessoren 17 2 Grundsätzliche Merkmale von Computern Die befehlsgesteuerte Arbeitsweise eines Computers Befehle in der Assemblerform Das Maschinenprogramm Merkmale des Programmablaufes Der Grundzyklus der Programmablaufsteuerung und die Reaktion auf äußere Ereignisse Ein Exkurs zur Veranschaulichung der Assemblersprache und des Programmablaufs Maßnahmen zur Verkürzung der Programmlaufzeit Die Strukturierung des Datenverkehrs Der Einfluß der Gerätetechnik auf die Aufteilung der grundsätzlichen Einheiten Elementare Datenübertragungsvorgänge Programmsteuernde Ereignismeldungen Das Funktionsschema moderner Computersysteme mit Standardschnittstellen 70 3 Stand der Computerklassen Embedded Microcontroller Computergestützte Automatisierungssysteme in der Produktion Embedded Computer in Leitsystemen für Großanlagen Strukturmerkmale eines Feldbus am Beispiel des PROFIBUS Computergestützte Automatisierungssysteme für mittlere und kleine Anlagen Hohe Verfügbarkeit in feldbus-gestützten Automatisierungssystemen PCs, Workstations und Server Supercomputer Maße für Computerleistung Ein Blick auf die IA-64 Entwicklung 98 i

4 4 Physikalische und logische Merkmale von lokalen Computernetzen Grundsätzliche technische Merkmale von LANs am Beispiel eines Lehrstuhlnetzes Ethernet: Physikalische Ebene Datenübertragung im Ethernet Token-basierte LANs MBit/sec Ethernet-Netze mit Twisted Pair (Fast Ethernet) Aufbau der Switches (Router) Fastethernet-Controller für NICs Elementare Aufbaumerkmale von Personal-Computern Das prinzipielle Aufbaukonzept von PC-Motherboards Die zentrale Takterzeugung Die Schnittstellen auf einem Motherboard Chipsatz-Konzepte Der Datenverkehr über den PCI-Bus Der Datenverkehr zwischen dem Prozessor und dem Hauptspeicher Der Datenverkehr zwischen dem Prozessor und der Peripherie Das Programmable-Interrupt-Controller Konzept (PIC) Das Advanced Programmable Interrupt Controller-Konzept Der Aufbau des Hauptspeichers Strukturprinzipien von DRAM-Speicher-ICs Nicht-synchrone DRAMs (EDO-DRAMs) Statische RAM-Speicher (SRAMs) Synchrone DRAMs (SDRAMs) Speichermodule für nicht-synchrone DRAMs (EDO-DRAMs) Speichermodule für synchrone DRAMs (SDR) Speichermodule für synchrone DRAMs (DDR) Die Umsetzung der Hostadressen in die Speichermodul-Adressen Der Datenverkehr von/zu den Prozessoren Das Cache-Konzept Basisverfahren für Caches Setadressierte Verfahren Die hierarchische Cache-Struktur Host-Bus-Konzepte Die Host-Bus-Arbitrierung Cache-Kohärenz bei dma-zugriffen 227 ii

5 8 Der Datenverkehr von/zu den Peripheriegeräten Das konventionelle Konzept für Geräte mit geringen Datenraten und mit gerätespezifischen Schnittstellen Binäre Ein-/Ausgaben (Parallel Input/Output) Uhren und Zähler (Timer und Counter) Konventionelles Interrupt-Controller-Konzept (Intel) Ein- und Ausgaben über die bitparallele Standardschnittstelle (LPT) Ein- und Ausgaben über die bitserielle Standardschnittstelle (COM) Das Konzept des Universal Serial Bus Motivation und Topologie des USB Die physikalische Ebene des USB Die logischen Ebenen des USB Festplatten und Festplatten-Controller Aufbau von Festplattenlaufwerken IDE(ATA) Festplatten SCSI Festplatten Struktur und Funktion von Maschinenbefehlen Elementare Merkmale von Befehlssätzen Das Registermodell des Konzepte der reellen Adressierung Die Bildung der Hauptspeicheradressen im Real Address Mode Das Registermodell des Pentium Konzept der virtuellen Adressierung Die Bildung der Hauptspeicheradressen im Protected Mode 300 iii

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7 Die Erzeugung von integrierten Schaltungen 1 Entwicklung der Halbleitertechnologie Dass leistungsfähige Computer heute als preisgünstige Massenprodukte von jedermann erworben und persönlich für (mehr oder weniger) sinnvolle Zwecke eingesetzt werden können, ist im Wesentlichen den Fortschritten der Halbleiter-Technologie zu verdanken. Sie führten dazu, dass man heute Schaltungen für sehr leistungsfähige Computer als preisgünstige Massenprodukte fertigen kann. Man kann die Erzeugung von integrierten Schaltungen (integrated circuits, ICs) in folgende Herstellungsphasen einteilen: die Herstellung der Wafer-Scheiben, die Herstellung der Schaltungen in der Oberfläche der Waferscheibe, die Herstellung der Chips und der gebrauchsfähigen Bauelemente. 1.1 Die Erzeugung von integrierten Schaltungen Die Herstellung der Wafer-Scheiben Der Rohling für die Erzeugung der Waferscheiben ist ein in zylindrischer Form gezüchteter Siliziumkörper höchster Reinheit (Bild 1.1). Bild 1.1: Mehrzonenofen zur Herstellung des Silizium-Einkristall-Zylinders Quelle: Fraunhofer-Institut Der zylindrische Rohling wird in einzelne Scheiben zersägt. Anschließend werden die Oberflächen der Waferscheiben (verkürzt Wafer) hochgradig poliert (Bild 1.2). Bild 1.2: Polierter Wafer 1

8 Die Erzeugung von integrierten Schaltungen Die Erzeugung der Schaltungen in der Oberfläche der Waferscheibe Die Schaltungen werden durch gezielte Diffusions- und Abscheideprozesse in die Grenzschicht an der Oberfläche des Wafers eingeprägt. Hierzu wird der Wafer matrixartig in gleich große Elementarflächen eingeteilt, die alle die gleiche Schaltung enthalten (Bild 1.3, Quelle: Intel). Bild 1.3: Matrix-Struktur eines Wafers Die Herstellung der Chips und der gebrauchsfähigen Bauelemente Man zerteilt den Wafer in einzelne Elementarplättchen (dicing), die geeignet auf einem Kontaktträger befestigt (die attach, Bild 1.4), verdrahtet (wire bond, Bild 1.5) und verkapselt (molding, Bild 1.6) werden. Wenn der Kontaktträger nicht schon mit fertigen Kontakten ausgestattet ist (z.b. bei Pin-Grid-Sockeln), dann dienen die folgenden Fertigungsschritte der Erstellung geeigneter Kontakte. Sie sind vom Kontakttyp abhängig, z. B. ob die Kontakte von Haltestegen befreit werden (tie bar cut), verzinnt oder vergoldet werden (plating) und in eine geeignete Form gebogen werden (trim and form) müssen. Integrierte Schaltungen mit hohen Anforderungen an die Lebensdauer werden besonders behandelt. Man unterwirft sie einem Hitzestress (burn in, Bild 1.7), der Schwachstellen offenbaren soll. Der Hitzestress verändert die Kristallstruktur, was an den Schwachstellen Funktionsfehler entstehen lässt, die im folgenden Test erkannt werden. Die fehlerhaften ICs werden entfernt (screening = aussieben). Es ist eine Erfahrungstatsache, daß so behandelte ICs sehr wenige Frühausfälle zeigen. Man spricht auch vom Beschleunigen der Frühausfälle durch das Burn-in. Danach folgen noch Schritte zur Markierung zwecks Identifikation, stichprobenartiger visueller Inspektion, Feuchtigkeitsentzug und Verpackung. Im Folgenden wird ein beispielhafter Fertigungsverlauf (Quelle: Payton) vorgestellt. Um einen Eindruck von der Gerätetechnik zu bekommen, wird das Szenario der Fertigungseinheiten einiger wichtiger Fertigungsschritte vorgestellt. 2

9 Die Erzeugung von integrierten Schaltungen Bild 1.4: Entnahme der Elementarplättchen aus dem fertig geschnittenen Wafer und drei beispielhafte Kontaktträger zum Aufkleben 3

10 Die Erzeugung von integrierten Schaltungen Bild 1.5: Die Herstellung der Verbindungen zwischen den Anschlussflächen der Schaltung auf dem Die und den Kontakten des Kontaktträgers (bonden) 4

11 Die Erzeugung von integrierten Schaltungen Bild 1.6: Das Eingießen des Kontakträgers mit dem gebondeten Die in eine schützende aushärtende Masse (molding) 5

12 Die Erzeugung von integrierten Schaltungen Bild 1.7: Das Offenbaren schwacher ICs durch Wärmestress (burn in) Der technische Fortschritt der Halbleitertechnologie lässt sich mit zwei Hauptmerkmalen charakterisieren, mit dem Integrationsgrad und mit der minimalen auflösbaren Strukturbreite 6

13 Der Integrationsgrad 1.2 Der Integrationsgrad Er gibt an, wie viele maßgebliche Funktionselemente pro Chip durch einen Fertigungsprozess eingeprägt werden können. Das maßgebliche Funktionselement einer integrierten Schaltung ist der Transistor. Der Integrationsgrad kann zahlenmäßig durch die Transistordichte angegeben werden, d.h. als die Zahl der Transistoren pro Fläche. Man kann aus einer Generation von integrierten Schaltungen ein beliebiges IC und dort eine beliebige Fläche mit einer beliebigen Größe herausgreifen und dort die Transistoren zählen. Dann bekommt man einen individuellen Wert für die Transistordichte, der nur für diese Auswahlsituation gilt. Um einen pauschalen Wert zu bilden, der für eine ganze Chipgeneration repräsentativ ist, kann man auch einen typischen Chip, in der Regel den mit der größten Anzahl von Transistoren, nehmen und diese Zahl unter der Bezeichnung Chipdichte angeben. Überblick zum Trend der Chipdichte und anderer wichtiger Merkmale Bild 1.8 fasst die Entwicklung der wichtigsten Merkmale zusammen. Man verbessert die Verfahren, um beim Züchtungsprozess der Silizium- Einkristalle größere Durchmesser zu erreichen und damit Wafer mit größerem Durchmesser zu bekommen. Dadurch erhält man mehr Chips pro Arbeitsgang, d.h. die Ausbeute wird größer, d.h. die Herstellung wird wirtschaftlicher. Die Vergrößerung der Wafer lässt auch die Vergrößerung der Chipflächen zu, um mehr Schaltfunktionen pro Chip zu realisieren. Zusätzlich bemüht man sich, den Platzbedarf der Funktionselemente immer mehr zu verkleinern, so dass man immer mehr auf einer Einheitsfläche unterbringt. Bild 1.8: Entwicklung der Speichertechnologie Das Bild ist auch deshalb interessant, weil es eine Prognose der Merkmale aus der Sicht von 1996 enthält. Bis auf die Schätzung der Chipdichte, die um eine 10er Potenz zu groß ist, wurden die vorausgesagten Werte erreicht. 7

14 Der Integrationsgrad Notwendige physikalische Grundlagen Hochreines Silizium enthält bei einer normalen Temperatur nur wenig Elektronen mit schwacher Bindung an die Atomkerne. Zum Vergleich: metallische Leiter wie Kupfer oder Aluminium enthalten bei normaler Temperatur sehr viele Elektronen mit schwacher Bindung. Diese bindungslosen, üblicherweise als frei bezeichneten Elektronen bewegen sich willkürlich im Raum, und zwar mit umso höherer Geschwindigkeit und Reichweite, je höher die Temperatur ist. Durch die willkürliche Richtung der Bewegung der Elektronen im Atom- bzw. Molekülgitter gibt es keine Vorzugsrichtung der Elektronen, also keinen Elektronenstrom. Eine Vorzugsrichtung der Elektronenbewegung entsteht aber, sobald man eine Spannung anlegt. Bei guten elektrischen Leitern entsteht ein verhältnismäßig großer Strom, bei reinem Silizium ein verhältnismäßig geringer Strom. Deshalb werden die einen als Leiter, Silizium als Halbleiter bezeichnet. Angenommen, man hat einen quaderförmigen Block dieses Materials und man bringt an zwei gegenüberliegenden Flächen je eine Kappe aus leitendem Material an, an die man die Pole einer Quelle mit gleich bleibender Spannung anschließt. Dann wird sich wegen der geringen Zahl der freien Elektronen nur ein unmerklicher Strom von Elektronen ergeben. Vernachlässigbarer Strom! + - Man kann nun die Leitfähigkeit entscheidend verbessern, indem man in das Material Atome einbaut, die entweder als Spender von Elektronen oder als Empfänger für Elektronen dienen. Das Einbauen nennt man Dotierung. Als Spender von freien Elektronen kommen z.b. Arsenund Phosphor-Atome infrage. Durch den Einbau solcher Atome fügt man bindungslose Elektronen in das Material. Legt man jetzt eine Spannung an, dann lassen sich auch diese zusätzlichen freien Elektronen bewegen. Strom gemäß den eingebauten Überschuß-Elektronen Ohne besondere strombegrenzende Maßnahmen könnte man das Material durch den sich ergebenden großen Stromfluss zerstören. Aus der Alltagspraxis kennt man das Problem des elektrischen Kurzschlusses. In einer konkreten Schaltung muss man einen elektrischen Widerstand in den Stromkreis schalten, um eine Zerstörung durch einen Kurzschluss zu vermeiden, den das dotierte Material erzeugen würde. Das Silizium heißt in diesem Fall n-dotiert. (n = negativ) 8

15 Der Integrationsgrad Wenn man es schafft, Atome mit Überschusselektronen einzubauen, dann liegt der Gedanke nahe, als Alternative solche Atome einzubauen, die anstelle eines Überschusselektrons einen Mangel an einem Elektron oder einen Empfänger eines Elektrons einbaut. Im Gittermodell kann man auch von einer besetzbaren Bindung sprechen, die ein gebundenes nahes Elektron durch ihre Bindungskraft einfangen kann. Das Einfangen bedeutet aber, dass die besetzbare Bindung sich an die Stelle bewegt hat, wo das Elektron herkam. Für das Einfangen gibt es eine anschauliche Analogie: es ist vergleichbar einem trichterförmigen Loch, in das eine rollende Kugel hineinfällt, wenn sie erst einmal den Lochrand überschritten hat. Die besetzbare Bindung nennt man auch Loch. Neben dieser an einer Assoziation zur Mechanik gebildeten Bezeichnung gibt es noch die elektrisch orientierte als Defekt-Elektron. Wie sich in n-dotiertem Material freie Elektronen - von der Temperatur abhängig - willkürlich im Raum bewegen, so sind es hier die Löcher, die eine entsprechende Eigenbewegung haben. Durch die willkürliche Richtung der Bewegung der Löcher im Atom- bzw. Molekülgitter gibt es keine Vorzugsrichtung der Löcher, also keinen Löcherstrom. Eine Vorzugsrichtung der Löcherbewegung entsteht, sobald man eine Spannung anlegt. Strom gemäß den eingebauten Defekt-Elektronen Der Löcherstrom beruht auf der Ausrichtung der freien Eigenbewegung der Löcher. Der Löcherstrom ist immer mit einer erzwungenen gegenläufigen Bewegung von Elektronen verbunden Ein Elektron wird als ein Teilchen angesehen, das eine negative elektrische Elementarladung trägt. Dann kann man ein Loch als den Träger einer Elementarladung mit entgegengesetztem Vorzeichen, also einer positiven elektrischen Elementarladung ansehen. Der Löcherstrom ist dann ein Strom von positiven Ladungsträgern, der dem der negativen entgegengesetzt ist. Das Silizium heißt in diesem Fall p-dotiert. (p = positiv) Als Empfänger kommen z.b. Gallium- oder Boron-Atome infrage

16 Der Integrationsgrad Im Fall des Stromes in p-dotiertem Material wird deutlich, dass man mit dem Begriff elektrischer Strom zwei gleichwertige Vorstellungen verbinden kann: entweder man fasst ihn als Strom von positiven Ladungsträgern auf, oder man fasst ihn als Strom von negativen Ladungsträgern (Elektronen) auf. Der Strom der negativen und der Strom der positiven Ladungsträger sind einander entgegengesetzt. Analog kann man den Strom der negativen Ladungsträger in n-dotiertem Material bzw. metallischen Leiter durch einen Strom positiver Ladungsträger in der Gegenrichtung gleichwertig ersetzen. Diese Analogie ist eine Abstraktion, die das Strommodell in Halbleitern und Leitern vereinheitlicht, wobei man sich natürlich der dazu gehörenden physikalischen Vorgänge bewusst sein muss. Wenn man also den einen Strom mit seiner Richtung als positiv erklärt, dann muss der gleichwertige alternative Strom als negativ gelten. Es ist die Frage, welche der Richtungen man als positiv zählt. In der Elektrotechnik gibt es die Vereinbarung, die Stromrichtung der positiven Ladungsträger als positiv zu zählen. Das Funktionselement Transistor Der Transistor ist das maßgebliche elementare Schaltelement der. In diesem (eingeschränkten) Sinn wird er im folgenden eingeführt. Genauso wichtig ist die Anwendung als Verstärker-Element. Das ist aber Gegenstand von allgemeiner gültigen Einführungen. Bei einem Schaltelement gibt es immer auslösende und ausführende Teilfunktionen. Als Beispiele können manuell betätigte Schalter bzw. Relais dienen. Beim manuellen Schalter ist die auslösende Aktion die Betätigung des Schalthebels. Die Bewegung des Schalthebels verändert die Stellung eines Kontaktes, der einen Stromkreis öffnet oder schließt. Der Schalthebel mit der Bewegungsübertragung erfüllt die auslösende Aufgabe. Der Kontakt erfüllt die ausführende Aufgabe. Tatsächlich verändert der Kontakt beim Schalten den Widerstand im Stromkreis. In der einen Stellung ist der Widerstand sehr groß, in der anderen Stellung sehr klein. Das ist die eigentliche Schaltfunktion. Beim Relais wird bei der auslösenden Aktion der Strom durch eine Magnetspule ein- oder ausgeschaltet. Eine Magnetspule zieht dabei einen Kontakt an oder sie lässt ihn los. Dadurch, dass sich die Stellung des Kontaktes verändert, kann ein Stromkreis geöffnet oder geschlossen werden. Ein Transistor enthält ebenfalls eine auslösende und eine ausführende Teilfunktion. Die ausführende Funktion beruht - genau so wie in den Beispielen mit Kontakten - auf einer Veränderung des elektrischen Widerstandes. Aber die physikalische Realisierung ist anders. Im Folgenden wird die physikalische Funktion eines NMOS- Transistors genauer beschrieben. Der polierte Wafer ist hochreines Silizium. Die gewünschte Transistorfunktion erhält man dadurch, dass man gezielt Verunreinigungen in den Kristall einbringt, z.b. durch 10

17 Der Integrationsgrad Diffusion. Man erzeugt über der Wafer-Oberfläche eine gasförmige Atmosphäre. Dort, wo die Oberfläche frei für das Gas zugänglich ist, dringen die Atome bzw. Moleküle in das Kristallgitter und bauen sich dort ein (Dotierung). Die Flächen, die nicht frei zugänglich sein sollen, werden mit einem (für das Gas) undurchlässigen Material bedeckt. Die Vorlagen zur Festlegung der freien bzw. zu bedekkenden Flächen heißen Masken. Die Erzeugung der Masken, der bedeckenden Schichten und die Entfernung der bedeckenden Schichten sind komplexe photo- und chemotechnische Prozesse. Zunächst bringt man eine Boron-Dotierung (hell-lila) ein und erhält das p-dotierte Substrat. Mit Hilfe einer Maske erzeugt man die Bereiche, in die man eine Phosphor-Dotierung eindringen lässt. Dadurch ergeben sich wannenförmige n-dotierungen (dunkel-lila). Zwischen den Wannen entsteht ein schmaler, nicht negativ dotierter Zwischenraum. Das ist der entscheidende Bereich für die Schaltfunktion! Über dem Zwischenraum erzeugt man - mit Hilfe einer Maske - eine Glasschicht (blau) und darüber eine Schicht aus leitendem Material (silbergrau). Die Schichtung über dem Zwischenraum ist von oben nach unten: Metall-SiliziumOxyd- Silizium, was zur Bezeichnung MOS zusammengefasst wird. Die Funktion des Schaltens liegt darin, dass die Anzahl der elektrischen Ladungsträger im Zwischenraum zwischen den n-dotierten Bereichen gezielt verändert wird. Das erreicht man durch eine sehr einfache Schichtungsstruktur. Man bringt oberhalb des Zwischenraumes eine elektrisch isolierende Glasschicht auf, die man mit elektrisch leitendem Material bedeckt (Gate). Legt man an dieses Material eine Spannung, dann beeinflusst das die Verteilung der elektrischen Ladungen im Zwischenraum. Legt man an das Gate eine positive Spannung (gegen das Bezugspotential ), dann sammeln sich Elektronen im Zwischenraum zwischen den n-dotierten Bereichen und bilden eine Elektronen-Brücke Man legt nun zusätzlich das Bezugspotential an den einen n-dotierten Bereich (Source) und eine positive Spannung an den anderen n-dotierten Bereich (Drain). Der Drain-Bereich leitet also die Elektronen zur Spannungsquelle ab, weil es

18 Der Integrationsgrad genügend frei bewegliche Elektronen im Zwischenraum zwischen Source und Drain gibt. Der Source-Bereich liefert entsprechend viele nach. Der elektrische Widerstand zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluss ist vernachlässigbar gering. Der Strom durch den Stromkreis zwischen Source und Drain muss durch einen Widerstand begrenzt werden, sonst ergibt sich Zerstörung. Wenn man nun am Gate 0 Volt erzeugt, stellt sich wieder der Gleichgewichtszustand ein, bei dem es keine Elektronen-Brücke gibt. Das bedeutet einen großen Widerstand. Es fließt kein Strom im Stromkreis zwischen Source und Drain Gefertigte MOS-Transistoren Der Schnitt durch einen beispielhaften gefertigten Transistor zeigt die Übereinstimmung mit den schematischen Schnitten und die maßgeblichen Größen (Bild 1.9). Man erkennt einen symmetrischen Aufbau. Die schwarzen Bereiche rechts und links unten sowie oben in der Mitte sind die Zonen für den Anschluss von Leiterbahnen. Es gibt zwei charakteristische Größen für die Leistungsfähigkeit eines Fertigungsprozesses: die physikalische Gatelänge, die gemäß dem aufgebrachten elektrisch leitenden Gate-Material den Abstand zwischen den beiden stabilisierenden Seitenstützen angibt (im Bild nm) und die effektive Gatelänge, die den Abstand zwischen den Rändern des Source- und des Drain-Bereiches angibt (im Bild nm). Bild 1.9: Schnitt durch einen Transistor Der Prozess wird von Intel gemäß der effektiven Gatelänge 130 nm Prozess genannt. Die Transistorfunktion als gesteuerte Änderung eines Widerstandes Ein Transistor ist eine Einheit mit drei Anschlusspunkten oder Polen: Source, Drain, Gate. Source und Drain sind die Anschlusspunkte auf der Basisschicht, dem Substrat. Legt man zwischen Source und Drain eine Spannung an, so wirkt die Substrat-Zone dazwischen als 12

19 Der Integrationsgrad ein mehr oder weniger guter Leiter. Das Maß für das mehr oder weniger gut ist die Größe des elektrischen Widerstandes. Die Spannung am dritten Pol oben, dem Gate, steuert die Größe des Widerstandes in der Substrat-Zone. Das hat dem Transistor auch den Namen gegeben: transfer resistor. In der Digitaltechnik (und dazu gehört die ) sind eigentlich nur zwei Zustände des Widerstandes maßgeblich: Widerstand sehr groß: es fließt also kein Strom durch die Zwischenzone, Widerstand sehr klein: es kann Strom durch die Zwischenzone fließen; begrenzt wird er durch der Widerstand im Stromkreis der zu- und abführenden Leitungen. Im Fall Übergang der Gate-Spannung auf positiven Wert fließen negative Ladungsträger vom Gate ab und zum Zwischenraum zwischen Source- und Drain-Bereich hin. Im Fall Übergang der Gate-Spannung auf Bezugspotential 0 Volt) fließen die negativen Ladungsträger im umgekehrten Sinn vom Zwischenraum zwischen Source- und Drain- Bereich zum Gate zurück. Die Schnelligkeit des Umschaltens eines MOS-Transistors Maßgeblich dafür, dass beim Übergang kleine Ströme in kurzer Zeit fließen, ist das Funktionselement, das von der Glasschicht und den an sie unmittelbar angrenzenden Zonen gebildet wird, also der Gate- sowie der gegenüberliegenden Substrat-Zone. Je nach angelegter Spannung sammelt sich in der einen Zone ein Elektronenüberschuss und in der gegenüberliegenden Zone ein gleich großer Elektronenmangel. Die Größe der Fläche, die sich in den begrenzenden Zonen gegenüber liegen, und ihr Abstand, also die Dicke der Glasschicht, bestimmen, wie viele Ladungen sich maximal sammeln können. Ein solches Funktionselement wird Kondensator genannt. Man versucht also, die Glasschicht möglichst dünn und den Zwischenraum zwischen Source- und Drain-Bereich möglichst schmal zu machen. Um so weniger Ladungsträger müssen in kürzerer Zeit fließen, um den Schaltvorgang zu realisieren. Hier ist also eine entscheidende Einflussgröße für die Schaltgeschwindigkeit eines Transistors. Diese ist maßgeblich für die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung, die mit einer Vielzahl solcher Transistoren aufgebaut wird. Die Glasschicht ist im Schliffbild (Bild 1.9) kaum erkennbar, weil sie nur einige Nanometer dick ist. Der wesentliche Vorteil der MOS-Technologie ist, dass der Flächenbedarf der gefertigten Transistoren immer kleiner, d.h. dass die Transistordichte auf einem Chip immer größer gemacht werden kann (large scale integration = LSI, very large scale integration = VLSI). Dass damit auch eine Vergrößerung der Umschaltgeschwindigkeit verbunden ist, ist ein angenehmer Begleiteffekt. Außer der Technologie der MOS-Transistoren gibt es noch die der bipolaren Transistoren, die aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften vom Prinzip her schneller sind als MOS- Transistoren. Aber sie haben prinzipiell einen größeren Flächenbedarf als MOS- Transistoren. Verstärkerfunktion Der sehr kleine Strom, bei dem wenige Elektronen zwischen dem Gate und dem Zwischenraum zwischen Source- und Drain-Bereich in sehr kurzer Zeit verschoben werden (Verschiebungsstrom), hat eine große Wirkung : der geschaltete Strom zwischen Source und Drain ist wesentlich größer. Kleine Ursache, große Wirkung: das 13

20 Der Integrationsgrad deutet auf eine andere grundsätzliche Funktion von Transistoren hin: die Verstärkerfunktion. Sie ist eine der wichtigsten Funktionen der Transistoren, die für die Analogtechnik konzipiert werden. Schaltungsbeispiel: Speicherzelle Die Transistoren werden zum Aufbau von Schaltungen mit einer bestimmten Funktion eingesetzt. Die Funktion erreicht man durch eine zweckdienliche elektrische Verbindung der Pole der Transistoren. Aus diesem Blickwinkel ist nicht mehr die Physik eines einzelnen Transistors interessant, sondern die geeignete Bildung der Leiterbahnen. Das ändert auch die Methoden der Veranschaulichung. Bei der Festlegung der Transistorfunktionen sind Schnitte maßgeblich. Bei der Festlegung von Schaltungsfunktionen sind es die Aufsichten zur Festlegung der Leiterbahnen (Bild 1.10). Bild 1.10: Aufsicht auf eine SRAM-Speicherzelle mit 6 Transistoren (Intel 130 nm Prozess) Links: Der Bereich der Transistoren ist rot markiert. Man erkennt die weiß-grauen Leiterbahnen der elementaren Verbindungsstruktur zwischen den Transistoren im Substrat, deren Aufsicht durch die Leiterbahnen teilweise verdeckt ist. Rechts: Der Bereich der Gates, der durch die Leiterbahnen verdeckt ist, wird schematisch mit einer roten Markierung angedeutet. Die Funktion dieser Speicherzelle wird bei der Erklärung der Speichersysteme noch einmal genau erläutert. Die Leiterbahnen bilden ein Netz von Linien, die bei komplexen VLSI-Schaltungen in mehreren Ebenen realisiert werden müssen (multilayer). Die Transistoren im Substrat können nur so eng beieinander liegen, wie die minimale Distanz der Leiterbahnen bei der Fertigung sein kann. Die minimale Distanz wird minimale auflösbare Strukturbreite genannt. Sie ist ein weiteres grundsätzliches Merkmal des technologischen Fortschritts. 1.3 Die minimale auflösbare Strukturbreite Bei der Herstellung einer integrierten Schaltung wird die Struktur mit Hilfe von Masken eingeprägt. Die Herstellung und Anwendung dieser Masken legt die Grenzen für die Mindestgrößen des Abstandes und der Breite der Leiterbahnen fest (Bild 1.11). 14

21 Die minimale auflösbare Strukturbreite Bild 1.11: Struktur der Leiterbahn-Schichten eines ICs (Intel 130 nm Prozess) Die hohen Anforderungen an die Fertigung von integrierten Schaltungen werden noch deutlicher, wenn man sich die Strukturen im Schnitt ansieht. Er zeigt den schichtenweisen Aufbau sowie die Größe und Abstände der metallischen Strukturelemente (Bild 1.12). Bild 1.12: Schnitt durch die Schichten eines ICs (Intel 130 nm Prozess) Die Abstände in der Leiterbahn-Ebene 1, die der elementaren Verbindung der Transistoren dient, sind am engsten. Dort entscheidet entweder der minimale Flächenbedarf der Transistoren oder die minimale Strukturbreite, wie eng die Transistoren beieinander liegen können. Dort entscheidet sich also der Integrationsgrad der Chips, die mit dem durch diese Größen charakterisierten Herstellungsprozess gefertigt werden können. 1.4 Ausblick in die Zukunft In Bild 1.13 werden die Ziele der Weiterentwicklung aus der Sicht von Intel dargestellt. 15

22 Ausblick in die Zukunft Bild 1.13: Die zukünftige Miniaturisierung von MOS-Transistoren Die Glasschicht beim 20 nm Transistor hat eine Dicke von etwa 12 Angström. Das entspricht drei Atomlagen. Bis hierher standen technologische Gesichtspunkte im Vordergrund. Nun soll die Wirkung des technologischen Fortschrittes auf die Leistungsfähigkeit der beiden wichtigsten elementaren Funktionseinheiten eines Computers diskutiert werden. 1.5 Entwicklung der Speicherchips Bild 1.14: Entwicklung der effektiven Gatebreite und der Speicherkapazitäten von Speicher-ICs Der 20 nm-prozess im Bild 1.13 ist nicht mehr weit von der Größe eines Atomes entfernt. 1.6 Entwicklung der Mikroprozessoren Die augenfälligste Revolution, die durch die Fortschritte der Halbleitertechnologie entstand, ist die Entwicklung der Miniaturisierung der zentralen Einheit eines Computersystemes in der Form des Mikroprozessors (Bild 1.15, Quelle: Intel). Pentium 4 2,2 GHz 32 GByte 64 Bit 12,5 MHz 16 MByte 16 Bit 10 MHz 1 MByte 16 Bit 2 MHz Taktrate 64 KByte adressierbarer Hauptspeicher mit 8 Bit Speicherwortbreite 33 MHz 4 GByte 32 Bit 50 MHz 4 GByte 32 Bit 66 MHz 64 Bit 4 GByte 64 Bit MHz 4 GByte Anfang 2002 Pentium III 1,33 GHz 32 GByte 64 Bit

23 Entwicklung der Mikroprozessoren Bild 1.15: Entwicklung der Transistor-Zahl, der Taktrate und der Merkmale des Speicherzugriffs der Mikroprozessoren von Intel Es sind nur einige Merkmale der Leistungssteigerung erkennbar. Ganz wesentliche funktionale Merkmale sind nicht angegeben, weil sie erst nach der Einführung wichtiger Strukturmerkmale verständlich sind. Das ist aber Gegenstand der Erklärungen, die noch folgen werden. Der erste marktbeherrschende Ansatz, zentrale Prozessorfunktionen eines Computers als großintegrierten IC zu realisieren, war der Mikroprozessor 8080 von INTEL. Da es geeignete Speicher-ICs schon gab und bald solche ICs folgten, die den Datenverkehr mit Peripheriegeräten unterstützten, entstand in kürzester Zeit eine neue Klasse von Computern: die Microcomputer. Die Entwicklung der wurde seit diesem Start maßgeblich von der Weiterentwicklung der großintegrierten Prozessoren bestimmt. Dabei waren zu Beginn durchaus mehrere IC-Hersteller im Rennen. Neben INTEL gab es maßgebliche IC-Hersteller wie AMD, IBM, NATIONAL SEMICONDUCTORS, MOTOROLA, TEXAS INSTRUMENTS. Dass INTEL heute die mächtigste Rolle unter ihnen hat, liegt an der eigenen Erfindungs- und Herstellerkraft und an der erfolgreichen Allianz mit dem Software-Hersteller MICROSOFT auf dem Massenmarkt der PCs. Der Mikroprozessor 8086/8088 brachte Ende der 70er Jahre den entscheidenden Durchbruch zum Personal Computer, dem Computer für Jedermann. Der Ruhm der ersten Idee wird immer mit dem Firmennamen APPLE verbunden sein, die breite Durchsetzung des Konzeptes mit dem Namen IBM. IBM stellte 1982 sein PC-Konzept IBM-PC/XT auf der Basis des Prozessors 8088 von INTEL vor. Alle Details des inneren Aufbaus des Computers wurden offengelegt. Damit war ein Quasi-Standard geschaffen. Dieser Computer wurde zum Urvater vieler Anwendungen in der Industrie und im Büro. Computer wurden bis Ende der 70er Jahre vor allem von zahlungskräftigen Institutionen der Industrie und der öffentlichen Hand angewandt. Da Computer teuer waren, versuchte man auf einem einzelnen Computer möglichst viele Aufgaben zu konzentrieren. Mit dem Erscheinen der Microcomputer setzte der umgekehrte Trend ein. Die Aufgaben wurden wieder einzeln gesehen und mehreren Computern kleinerer Leistung zugeordnet. Das brachte - mit angepasstem Aufbau - die Klasse der Microcomputer auch in industrielle Anwendungen. Es folgten weitere PC-Generationen, über den IBM-PC/AT mit dem Mikroprozessor zu den PCs mit den Mikroprozessoren und Die Entwicklung jeder neuen PC-Generation unterlag immer der Forderung, dass Anwenderkomponenten, die für die vorhergehenden Generationen entwickelt worden waren, auf den PCs der neuen Generation weiterhin einsetzbar sind. Diese Forderung nach Kompatibilität wird von Entwicklern neuer Systeme häufig als Hemmnis betrachtet, von Anwendern aber als notwendiger Investitionsschutz. 17

24 Entwicklung der Mikroprozessoren Umso mehr muss man bei den Weiterentwicklungen bewundern, mit welchen Ideen die Entwickler neue Leistungen ermöglichen, ohne alte Vorgaben zu verletzen. Mit dem war eine Leistungsstufe erreicht, die nahe an den Prozessoren lag, die aufgrund ihrer Struktur und der Taktraten leistungsfähiger waren als die damaligen Personal Computer auf der Basis der Intel-Prozessoren und als Workstations bezeichnet wurden. Der nächste Schritt, der Pentium-Prozessor, brachte Intel den Einbruch in die Domäne der Workstation-Leistungsklasse. 18

25 Die befehlsgesteuerte Arbeitsweise eines Computers 2 Grundsätzliche Merkmale von Computern Bevor einzelne Computertypen vorgestellt werden, ist es wichtig, einige grundsätzliche Merkmale zusammen zu stellen. 2.1 Die befehlsgesteuerte Arbeitsweise eines Computers Allen Einheiten mit Computerstruktur ist gemeinsam, dass man ihre zentrale Gesamtfunktion in drei Basisfunktionen bzw. Basis-Einheiten aufteilen kann: die Prozessorfunktion der Prozessor-Einheit (processing unit), die aus einem Prozessor (Ein-Prozessor-System) oder mehreren Prozessoren mit den gleichen Grundfunktionen (Mehr-Prozessor-System) bestehen kann. Im folgenden stehen die Grundfunktionen aus der Sicht eines Prozessors im Vordergrund. die Speicherfunktion der Speicher-Einheit (memory unit) oder einfach Speicher, die Funktion für die Ausführung des Datenverkehrs zwischen Peripherie-Einheiten (peripheral units) und den beiden anderen Funktionen. Man liest für die entsprechende Einheit noch die Bezeichnung Kanal-Einheit (channel unit). Hier soll sie Ein/Ausgabe-Einheit (input/output unit) oder einfach Ein/Ausgabe heißen. Prozessor Speicher Ein/Ausgabe Bild 2.1: Die drei grundsätzlichen zentralen Funktionseinheiten eines Computers Alle Aktivität eines Computers ergibt sich aus der Steuerung durch Befehle. Das bedeutet, dass die Befehle in einer solchen Form verfügbar sind, dass Prozessor sie sich durch geeignete Zugriffe holen und in Aktionen umsetzen kann, die zu jedem Befehl vereinbart sind. Erst die Ausführung einer Folge von Befehlen durch einen Prozessor erzeugt ein gewünschtes Verarbeitungsergebnis. Eine Befehlsfolge kann man von zwei unterschiedlichen Blickwinkeln betrachten: aus der Sicht der Festlegung der Befehlsfolge und aus der Sicht des Ablaufes bei der Ausführung. Die Festlegung der Befehle ergibt eine bestimmte Befehlsreihenfolge, also ein Programm. Für den Beginn des Ablaufes muss der erste auszuführende Befehl in der Reihenfolge festgelegt werden. Es muss nicht der erste in der Programmreihenfolge festgelegte Befehl sein. Was danach geschieht, ist durch die Steuerung des Programmablaufes genau festgelegt. Wenn man die durchlaufenen Befehle aneinander reiht, ergibt sich eine Spur (trace), die schließlich zu dem letzten ausgeführten Befehl im Programm führt. Dieser Befehl muss nicht der letzte Befehl in der programmierten Reihenfolge sein. Bild 2.2 soll einerseits die Reihenfolge der programmierten Befehle (statischer Aspekt) und andererseits die Spur des Ablaufes (dynamischer Aspekt) zeigen. 19

26 Die befehlsgesteuerte Arbeitsweise eines Computers Es wird vereinfacht angenommen, dass der programmierte erste Befehl auch der Startbefehl ist und der programmierte letzte Befehl auch der letzte ausgeführte Befehl ist. Der Ablauf wird symbolisch durch Pfeile beschrieben. Ein wesentlicher Zweck von Programmen ist die Erzeugung von Rechenergebnissen. Es muss also arithmetische Verarbeitungsbefehle geben. Als Beispiel kann man eine Addition nehmen, die zu einem Operanden einen zweiten addiert, z.b. eine 4. Woher nimmt man nun den ersten Operanden und was macht man mit dem Ergebnis? Man muss sich geeignete Objekte schaffen, die als Operanden verwendbar sind und die ein Verarbeitungsergebnis aufnehmen und damit festhalten können. Ein Objekt, dessen Zustand ein Verarbeitungsergebnis festhält, also speichert, dass zu jeder Zeit beim Programmablauf als Operand für einen Verarbeitungsbefehl verfügbar ist, wird im folgenden Datenobjekt genannt. Genau so, wie der Programmierer die Befehlsfolge festlegt, legt er auch die Datenobjekte fest, die die Befehle seines Programms benutzen. Datenobjekte sind - wie die Befehle - integraler Bestandteil eines Programms (Bild 2.2). Bild 2.2: Befehlsgesteuerte Arbeitsweise von Prozessoren Bis hierher war noch keine Rede davon, wie ein Programm für den Prozessor verfügbar gemacht werden kann. Die Befehle müssen in einer (für den Prozessor) interpretierbaren Form ausgedrückt (man sagt: kodiert) werden. Damit sie für den Prozessor lesbar werden, muss man sie in der kodierten Form speichern. Das ist die Aufgabe des Speichers. Beim Holen und Ausführen der Befehle eines Programms ergibt sich ein Strom von Befehlen vom Speicher zum Prozessor und ein Strom von Datenobjekten zum Prozessor bzw. von verarbeiteten (=veränderten) Datenobjekten vom Prozessor zum Speicher (Bild 2.3). Prozessor Prozessor usw. usw. Befehlsstrom Datenstrom Befehlsfolge =Programm 1. Befehl i-ter Befehl letzter Befehl 1. Datenobjekt usw. i-tes Datenobjekt usw. letztes Datenobjekt Speicher Ein/Ausgabe Bild 2.3: Befehls- und Datenstrom beim Programmablauf Um die zentrale Bedeutung des Speichers für die ablauffähigen Programme zu unterstreichen, wird der Speicher auch Hauptspeicher genannt. 20

27 Die befehlsgesteuerte Arbeitsweise eines Computers Hier erkennt man zum ersten Mal, wie man die Arbeitsgeschwindigkeit eines Computers beeinflussen kann: Je mehr Befehle pro Zeiteinheit beim Programmablauf in den Prozessor fließen, um so mehr Verarbeitungsergebnisse werden pro Zeiteinheit erzeugt, um so kürzer ist die Ablaufzeit eines Programms. Bevor aber die Merkmale des Programmablaufes genauer diskutiert werden, soll ein andere Frage im Vordergrund stehen: Wie kommt ein geeignet kodiertes ablauffähiges Programm überhaupt zustande? 2.2 Befehle in der Assemblerform Um dem Programmierer das Programmieren einer zweckgerichteten Befehlsfolge zu erleichtern, sollte man eine selbsterklärende Form der Befehle finden. Aus der Schreibweise sollten die Merkmale der Aktionen, die der Prozessor bei diesem Befehl ausführt, sinnfällig erkennbar sein. Ein Beispiel soll das erläutern (Bild 2.4). Assembler- Programm Prozessor usw. usw. 1. Ass.-Befehl add x,0004h letzter Ass.-Befehl 1. Datendefinition usw. Datendefinition für die Variable x usw. letzte Datendefinition Operation Prinzipielles Format Beispiel: 80x86 1.Operand/ Ergebnis 2.Operand In der Assemblersprache gelten Variablennamen als Identifikatoren für die Datenobjekte, die die Variablen realisieren. Bild 2.4: Beispiel eines Additionsbefehls Eine Addition addiert zwei Operanden und erzeugt dabei ein Ergebnis. Bild 2.4 zeigt am Fall einer beispielhaften Addition, wie man die Merkmale festlegen kann: zuerst den Typ der Operation, hier eine Addition; dann einen Hinweis auf den ersten Operanden; x ist der Name eines Datenobjektes, x dient also als eindeutiges Erkennungsmerkmal (Identifikator) eines Datenobjektes dann den zweiten Operanden, hier die Zahl 4. Diese Merkmale bestimmen folgendes Operationsergebnis: alter Zustand des Datenobjektes x plus 4. Jetzt ist noch wichtig, was mit diesem Ergebnis geschehen soll. Im Beispiel macht man eine stillschweigende (also implizite) Annahme: Das Ergebnis wird der neue Zustand des Datenobjektes x. Man kann die Ausführung der Operation auch so beschreiben: x x + 4 oder x := x + 4 oder x = x + 4 Bei der letzten Schreibweise muss man sich auf eine Bedeutung des Gleichheitszeichens einstellen, die nicht der üblichen (mathematischen) Bedeutung des Gleichheitszeichens entspricht. Der beispielhafte Befehl zeigt, dass x der Name eines (in seinem Zustand veränderlichen) Datenobjektes ist. 21

28 Befehle in der Assemblerform Das Beispiel zeigt auch, dass die Schreibweise eines Befehls bestimmten Regeln folgt. Diese Regeln sind den Regeln einer Sprache vergleichbar und werden auch auf einer entsprechenden Abstraktionsebene formal festgelegt. Die Gesamtheit der Befehle, die man beim Programmieren für einen bestimmten (Ziel-)Prozessors verwenden kann, wird Assemblersprache genannt. Ein Programm, das nach den Formalien dieser Sprache programmiert ist, heißt Assemblerprogramm. Das Beispiel entspricht den Regeln der Assemblersprache für die weit verbreiteten Intel- Prozessoren. Es zeigt auch nur einige wichtige Aspekte einer Assemblersprache, weil es hier nur um Grundsätzliches geht. Auf der Ebene der Assemblersprache wird ein veränderliches Datenobjekt als die Realisierung einer (abstrakten) Größe angesehen, die man Variable nennt. x ist (aus dieser Sicht) ein Variablenname. In einem Assemblerprogramm wird die Existenz einer Variablen durch eine Definitionsanweisung gesichert, die dem Variablennamen durch eine Typangabe den notwendigen Platz für das Datenobjekt zuordnet (Bild 2.5). Assembler- Programm 1. Ass.-Befehl Prozessor usw. usw. add x,0004h letzter Ass.-Befehl 1. Datendefinition usw. x dw usw. letzte Datendefinition Prinzipielles Format Beispiel: 80x86 db=define byte dw= define word Variablenname Definitionstyp Initialisierung Bild 2.5: Beispiel der Definition einer Variablen mit dem Namen x und einem notwendigen Platz von 2 Byte für das realisierende Datenobjekt Will man, dass das Datenobjekt beim Start des Programms einen bestimmten Anfangswert hat, dann kann man diesen ergänzen. Sobald das Datenobjekt konkret erzeugt wird, hält man nicht nur seinen Platz bereit, sondern man stellt seinen Zustand entsprechend ein, der dann zu Beginn des Programmablaufes gilt (Initialisierung). Die Formalien der Schreibweise von Assemblerbefehlen bzw. Definitionsanweisungen für Variable sind in den Assemblersprachen der auf dem Markt befindlichen Prozessoren ähnlich festgelegt wie hier gezeigt. Was ein Assemblerprogrammierer im wesentlichen erlernen muss, ist die Gesamtheit der Befehle, ihre formal richtige Anwendung und - natürlich vor allem - ihre zweckdienliche Anwendung im Sinne des gestellten Problems. Die selbsterklärende Form der Assemblerbefehle hilft ihm sicher beim Erlernen und beim Anwenden. Wichtig ist, dass einem Assembler-Programmierer immer der direkte Bezug zum Ablauf der Befehle möglich ist, da die Reihenfolge der Assemblerbefehle unmittelbar mit dem Programmablauf assoziiert werden kann. Ein Assemblerprogramm ist für den Programmierer verständlich, nicht aber für den Prozessor. Das bedeutet, dass man ein Assemblerprogramm in die für den Prozessor verständliche Form bringen muss. 22

29 Das Maschinenprogramm 2.3 Das Maschinenprogramm Um auch eine begrifflich deutliche Unterscheidung zu machen, nennt man die Befehle, die vom Prozessor verstanden werden, Maschinenbefehle. Das Ergebnis der Umsetzung von Assemblerbefehlen in Maschinenbefehle ist für das beispielhafte Szenario in Bild 2.6 dargestellt. Prozessor Maschinen- Programm 1. Masch.-Befehl usw z i usw. letzter Masch.-Befehl 1. Datenobjekt usw. add x,0004h Operation= aktuellen Wert der Variablen x holen, Konstante 4 addieren und das Ergebnis als neuen Wert der Variablen eintragen. Identifikator der Variablen x Konstante= 4.. x i.. usw. letztes Datenobjekt In der Maschinensprache gelten Indizes (= Zeiger = Pointer) auf die Datenobjekte als Identifikatoren für die Datenobjekte, die die Variablen realisieren. Bild 2.6: Maschinenprogramm mit den beispielhaften Befehlen xi bzw. zi steht stellvertretend für die Bits des entsprechenden 16-Bit-Wortes Man erkennt die Struktur des Assemblerbefehles in der Struktur des Maschinenbefehles wieder. Der Assembler-Befehl besteht aus drei Abschnitten: dem für die Operation, dem für den ersten Operanden bzw. das Ergebnis, hier den Variablennamen, und dem für den zweiten Operanden, hier die Zahl 4. Der Maschinenbefehl besteht aus drei Abschnitten: 2 Byte für die Angabe der Operation und die Art, wie die folgenden Bytes zu verwenden sind, dann zwei Bytes, die den konkreten Bezug zum Datenobjekt herstellen, und dann zwei Byte, die die Zahl 4 enthalten. Es ergibt sich eine Schwierigkeit, wenn man zur Darstellungsart von Intel konform bleiben möchte. Intel zählt die Bytes fortlaufend von links nach rechts, also bei 16Bit-Wörtern Im Byte mit der kleineren Nummer steht das niederwertige Byte einer 16Bit-Dualzahl und im Byte mit der höheren Nummer das höherwertige Byte. Eine 4 als 16Bit-Dualzahl ist in der mathematischen Darstellung: Durch die Darstellungsart von Intel ergibt sich daraus: Intel folgt der üblichen Schreibrichtung von links nach rechts. Die mathematische Darstellung ordnet die Bytes gemäß der Stellenwertigkeit von rechts nach links an. Diese Darstellung wählen die meisten anderen Hersteller. Sehr wichtig ist nun, wie im Befehl der Bezug zum Datenobjekt hergestellt wird. 23

30 Das Maschinenprogramm Im Assemblerprogramm legt die Gesamtheit der Definitionsanweisungen auch die Gesamtheit der Variablen fest. Die Variablen müssen eindeutig unterscheidbar sein. Es dürfen also keine Variablen mit gleichem Namen vorkommen. Diese Eigenschaft muss genau so für die realisierenden Datenobjekte gelten. Da man jeder Variablen ein Datenobjekt mit einer genau gegebenen Zahl von Byte zuordnet und diese hintereinander im Programm anordnet, kann man Datenobjekte eindeutig durch ihre Lage identifizieren. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Lage anzugeben, z.b. als Zahl der Byte zwischen dem Befehl, in dem zu dem Datenobjekt zugegriffen wird, und dem ersten Byte des Datenobjektes selbst, als Zahl der Bytes zwischen dem Anfang des Programmabschnittes mit den Datenobjekten und dem ersten Byte des Datenobjektes. Wenn man weiß, in welche Speicherzellen im Hauptspeicher das ablauffähige Maschinenprogramm geladen werden wird, kann man auch die Lage des Datenobjektes als Hauptspeicheradresse ihres ersten Bytes angeben. Man nennt die Größe, die die Lage eines Datenobjektes innerhalb eines Programms oder im Hauptspeicher festlegt, im Kontext der Maschinenprogramme meistens Index. Es sind auch die Bezeichnungen Zeiger oder Pointer üblich. Im Bild 2.6 steht zi für die Bits des Index bzw. Zeigers. Indizes mit Hauptspeicheradressen machen Probleme, wenn man die Lage des Programms im Hauptspeicher ändert. Alle Befehle mit solchen Indizes müssen nämlich bei Veränderung der Lage des Programms angepasst werden. Deshalb bevorzugt man in heutigen Computersystemen die andere Art der Indizes, die man auch als relativ (zu einer vereinbarten Basis) ansehen kann. Davon später noch ausführlich. Die Umsetzung eines Assemblerprogramms in das gleichwertige Maschinenprogramm wird mit einem Übersetzerprogramm durchgeführt, das man als Assembler bezeichnet (Bild 2.7). Maschinen- Programm Assembler- Programm 1. Masch.-Befehl usw z i usw. letzter Masch.-Befehl 1. Datenobjekt usw... x i.. usw. letztes Datenobjekt Übersetzer (Assembler) 1. Ass.-Befehl usw. add x,0004h usw. letzter Ass.-Befehl 1. Datendefinition usw. x usw. dw letzte Datendefinition Zur Laufzeit auszuführende Assemblerbefehle werden in entsprechende Maschinenbefehle umgesetzt. Datendefinitionen werden in entsprechende Datenobjekte umgesetzt. Bild 2.7: Die Übersetzung eines Assemblerprogramms in das Maschinenprogramm Assemblerbefehle, die zur Laufzeit wirksam werden sollen, werden in ihre entsprechenden Maschinenbefehle umgesetzt. Variablendefinitionen - auch Datendefinitionen genannt - in entsprechende Datenobjekte. 24

31 Das Maschinenprogramm Sobald man sehr komplexe Programme entwickelt, muss man das Gesamtproblem in überschaubare Teilprobleme aufteilen. Dann hat man einen überschaubaren Aufgabenrahmen, in dem man auch die Richtigkeit des Programms prüfen kann. Aus den geprüften Teilprogrammen wird dann das Gesamtprogramm zusammengesetzt, das man dann als Ganzes prüft. Das Zusammensetzen wird durch ein Programm unterstützt, das man Binder (Linker) nennt (Bild 2.8). Maschinen- Gesamtprogramm 1. Masch.-Befehl usw z i usw. Binder (Linker) Maschinen- Teilprogramme 1. Masch.-Befehl usw z i usw. letzter Masch.-Befehl 1. Datenobjekt usw... x i.. usw. Übersetzer (Assembler) Assembler- Teilprogramme 1. Ass.-Befehl usw. add x,0004h usw. letzter Ass.-Befehl 1. Datendefinition usw. x usw. dw letztes Datenobjekt letzte Datendefinition letzter Masch.-Befehl 1. Datenobjekt usw... x i.. usw. letztes Datenobjekt Bild 2.8: Das Binden von unabhängig entwickelten Teilprogrammen (Modulen) Ein Binder ordnet die Maschinenbefehle der einzelnen Teilprogramme (die auch als Module bezeichnet werden) in der Reihenfolge, wie sie im Binde-Kommando aufgerufen werden, hintereinander. Das Gleiche macht er mit den Datenobjekten der Module. Man erkennt für das beispielhafte Szenario sofort eine wichtige Aufgabe des Binders: alle lageabhängigen Indizes müssen angepasst werden. Das Programmieren in einer Assemblersprache hat den Vorteil, dass der Programmierer sehr einfach den Bezug zum Ablauf herstellen kann. Aber es hat den Nachteil, dass der logische Zusammenhang mit dem Anwenderproblem verwischt wird. Den kann man beim Assembler-Programmieren oft nur durch konsequente begleitende Kommentare im Programmtext herstellen. Aus der Sicht des Programmierens komplexer Probleme ist hilfreich, wenn mathematische oder logische Zusammenhänge auch mit den üblichen Formen ausgedrückt werden können, die sich in den entsprechenden Sachgebieten herausgebildet haben. Das leisten höhere Programmiersprachen. Für Programme in einer höheren Programmiersprache gilt das Gleiche wie für Assembler-Programme: man muss die Möglichkeit haben, sie getrennt zu entwickeln und zu prüfen, und man muss die Möglichkeit haben, die geprüften Teilprogramme zu binden, um sie insgesamt prüfen können und damit verlässlich lauffähig zu machen (Bild 2.9). Der Übersetzer heißt hier Compiler. Außerdem vermeidet man den Begriff Befehl und verwendet stattdessen den Begriff Anweisung (statement). 25