Programmieren in ASSEMBLER. Autor: Dipl.Ing.(FH) H.-P. Kiermaier

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1 Programmieren in ASSEMBLER Autor: Dipl.Ing.(FH) H.-P. Kiermaier

2 Kiermaier (C)opyright Inhaltsverzeichnis: 1. Einführung Was ist Assembler (Maschinensprache)? Wozu benutzt man Assembler? Vor- und Nachteile Grundlagen Zahlen und Zahlensysteme Das Dezimalsystem Das Dual- oder Binärsystem Das Hexadezimalsystem (Sedezimalsystem) Negative Zahlen Fließkomma - Zahlen BCD - Zahlen Textzeichen Logische Verknüpfungen Aufgaben zu den Grundlagen I Die Hardware des Computers Aufbau und Bestandteile Der Mikroprozessor 8088/ Grundstruktur Der 8088/86 Prozessor intern Die Register des 8088/ Die Adressberechnung in der BIU Die Befehlsausführung Die Interruptbearbeitung Der Assembler Das Programm DEBUG.EXE DEBUG.EXE als 'Assembler' Was braucht ein Assembler-Programmierer? Der Makro-Assembler MASM Assembleranweisungen (Pseudobefehle) Musterrahmen für COM- und EXE-Programme Befehlsaufbau und Adressierungarten Sonstige Operatoren Aufgaben zu den Grundlagen II Der Befehlssatz des Prozessors 8088/ Datentransportbefehle Übungsbeispiele Arithmetische und logische Befehle Logische Verknüpfungen Übungsbeispiele Schiebe- und Rotierbefehle Übungsbeispiele Arithmetische Befehle Übungsbeispiele BCD-Korrekturen Übungsbeispiele Aufgaben zum Programmieren Verzweigungsbefehle (Sprungbefehle) Direkte Sprungbefehle... 73

3 Kiermaier (C)opyright Bedingte Sprungbefehle Übungsbeispiele Ein-/Ausgabebefehle Übungsbeispiele Zeichenkettenbefehle (Stringbefehle) Übungsbeispiele Unterbrechungsbefehle (Interruptsteuerung) Übungsbeispiele Steuerbefehle Die Macro-Programmierung Parameterübergabe Bedingte Assemblierung Lokale Variablen Externe Macros und INCLUDE-Dateien... 98

4 Kiermaier (C)opyright Einführung 1.1. Was ist Assembler (Maschinensprache)? Jeder Prozessor enthält zur Kommunikation eine Liste von Befehlen. Diese Befehle bestehen aus Zahlen bzw. Zifferncodes in einem oder mehreren Bytes. Jede Firma baut ihren eigenen Befehlscode in den Prozessor ein, wodurch Programme nicht austauschbar sind. Trotzdem ist allen Programmen gemeinsam, daß sie eben nur aus Zahlenkolonnen bestehen. Man bezeichnet diese Folgen von Befehlszahlen als Maschinensprache. Sie stellt die unterste Ebene der Computerprogrammierung dar, weil man mit dem Prozessor in seiner eigenen Sprache kommuniziert. Da diese Art der Programmierung (bis in die 70er Stand der Technik!) sehr fehlerträchtig und unübersichtlich ist, hat man sich entschlossen, die Befehlscodes in für Menschen verständliche Zeichen zusammenzufassen. Diese Zeichengruppen nennt man Mnemonics (= Symbolcode). Beispiel: Der Befehlscode entspricht dem Mnemonic MOV AH,5 Unter Assembler versteht man nun eine Programmiersprache, in der diese Mnemonics zu einem kompletten Programm zusammengetragen werden. Gleichzeitig bedeutet Assembler aber auch den Übersetzungsalgorithmus, der diese Mnemonics in die Maschinensprache übersetzt. Das funktioniert genau wie bei jedem anderen Compiler für PASCAL oder C. Daher ist Assembler im Grunde genommen nur eine Programmiersprache wie andere auch. Aber durch ihre Nähe zur Maschinensprache ist Assembler viel mächtiger! 1.2. Wozu benutzt man Assembler? Obwohl heute nicht mehr jede Hochsprache (PASCAL, BASIC, C, etc.) komplett in Assembler geschrieben wird, enthalten sie jedoch alle zumindest einen Teil, der sie erst richtig leistungsfähig macht. So wäre in der Sprache C eine Optimierung des Programms beim Übersetzen ohne entsprechende Assemblerroutinen gar nicht möglich! Außerdem sind wichtige Teile von Betriebsystemen wie DOS oder WINDOWS rein in Assembler erstellt worden, um sie überhaupt funktionsfähig zu machen. Es gibt mindestens vier gute Gründe, warum Assembler einen guten Platz unter den Programmiersprachen besitzt: a) Ein Assemblerprogramm ist immer optimiert für die jeweilige Anwendung. Durch das Fehlen überflüssiger Teile sind solche Programme kleiner und wesentlich schneller (sogar schneller als andere compilierte Programme). b) Da Mnemonics nur Zeichengruppen für die eigentliche Maschinensprache darstellen, ist ein solches Programm wesentlich näher an der Hardware (= Geräten) angegliedert, als Hochsprachen. Man kann damit die Hardware besser und umfangreicher nutzen und steuern (z.b. für eigene Druckertreiber). c) Mit Assembler ist es möglich schnelle Ergänzungsroutinen und -funktionen für Hochsprachen zu entwickeln und einbinden (zum Beispiel für C).

5 Kiermaier (C)opyright d) Assembler ermöglicht den Zugriff auf schnelle und wichtige BIOS- und DOS- Funktionen (sogenannte Interrupts). Damit kann man eigene Befehle ins Betriebssystem integrieren oder auch vorhandene nach eigenen Wünschen ändern Vor- und Nachteile a) Vorteile: schnellere Programme speicheroptimiert (kleiner) bessere Kontolle über die Resourcen (Hardware) universell anwendbar (keine Spezialisierung wie COBOL) b) Nachteile in der Regel höherer Zeitaufwand (weil auch kleine einfache Routinen bereits mehrere Befehle umfassen) streng logische Befehlsfolge (gewöhnungsbedürftige Denkweise) Fehler bewirken immer einen "Absturz" des Rechners 2. Grundlagen 2.1. Zahlen und Zahlensysteme In einem Rechner (genauer in der Digitalelektronik) gibt es nur zwei unterscheidbare Zustände, nämlich Strom da oder Strom nicht da. Man bezeichnet diese Zustände mit High (= 1 bzw. +5Volt) und Low (= 0 bzw. 0Volt). Mit diesem beiden Zuständen wird gearbeitet, gerechnet und gezählt. Aber zum Zählen braucht man doch 10 unterschiedliche Ziffern (0 bis 9)! Oder? Nein, durchaus nicht! Unser bekanntes und bewährtes Dezimalsystem ist nur deshalb so erfolgreich, weil wir zufällig auch zehn Finger besitzen, die wir zum Zählen benutzen. Daß es auch anders geht, beweist zum Beispiel das alte 12-System (Dutzend! Offensichtlich hatten die Menschen früher zwölf Finger?!). Zum weiteren Verständnis ist eine kleine Auffrischung der Mathematikkenntnisse, speziell des Potenzrechnens, notwendig Das Dezimalsystem Ziffern: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 (insgesamt 10) Rechenbasis: 10 Das heißt, jede dezimale Zahl setzt sich aus der Summe ihrer Zehnerpotenzen zusammen. Beispiel: 25 =

6 Kiermaier (C)opyright (=Multiplikator) = = Das Dual- oder Binärsystem Ziffern: 0,1 (insgesamt 2, das heißt: dual, binär) Rechenbasis: 2 Jede duale Zahl setzt sich somit aus der Summe ihrer Zweierpotenzen zusammen. Beispiel: 10 = (=Multiplikator) = = = 11 d Um zwischen der dezimalen "11" (Elf) und der binären "11" (drei) zu unterscheiden, schreibt man hinter die jeweilige Zahl das Kürzel für die gültige Rechenbasis. Bei Binärzahlen ist dies ein kleines "b" (z.b. "11b"). Bei Dezimalzahlen wird dieses Kürzel in der Regel weggelassen. a) Umwandlung Dual Dezimal Um eine Dualzahl in eine Dezimalzahl umzuwandeln, schreibt man den entsprechenden Wert der Zweierpotenz für diese Stelle über die binäre Ziffer. Anschließend werden alle diese Werte addiert, sofern die binäre Ziffer eine Eins darstellt. Beispiel: Umwandlung der binären Zahl 0101 b binäre Zahl: b = 5 d b) Umwandlung Dezimal Dual Dazu sind mehrere Möglichkeiten offen. Wenn man bereits etwas Erfahrung im Umgang mit Binärzahlen hat, kann man einfach prüfen, wie oft der größte Potenzwert in die dezimale Zahl paßt. Das Ergebnis wird aufgeschrieben, mit dem übrig gebliebenen Rest der Vorgang wiederholt, bis kein Rest mehr bleibt. Die jeweiligen Ergebnisse ergeben hintereinander geschrieben die Dualzahl. Beispiel: Umwandlung der dezimalen Zahl 10 d 1. Vermutung: Faktor 8 10 enthält 1 8 Rest 2 3. Vermutung: Faktor 4 2 enthält 0 4 Rest 2 3. Vermutung: Faktor 2 2 enthält 1 2 Rest 0 Also kann Faktor 1 gar nicht enthalten (0 1) sein b = 10 d

7 Kiermaier (C)opyright Besser ist es jedoch, die Umwandlung mathematisch exakt vorzunehmen. Vor allem weil die hier vorgestellte Methode allgemein auf alle Umwandlungen angewandt werden kann. Dazu wird die dezimale Zahl fortgesetzt durch die gewünschte Rechenbasis geteilt (hier: 2). Beispiel: Umwandlung der dezimalen Zahl 187 d 187 : 2 = 93 Rest 1 93 : 2 = 46 Rest 1 46 : 2 = 23 Rest 0 23 : 2 = 11 Rest 1 11 : 2 = 5 Rest 1 5 : 2 = 2 Rest 1 2 : 2 = 1 Rest 0 1 : 2 = 0 Rest 1 Die binäre Zahl ergibt sich aus den Resten, von unten nach oben gelesen. 187 d = b c) Bezeichnungen Im Zusammenhang mit Binärzahlen sind in der Computertechnik folgende Ausdrücke gebräuchlich. eine Zweierstelle: 1 Bit Wert: 0 oder 1 (2 1 = 2 Werte) vier Dualstellen: 4 Bit 1 Nibble 1 Tetrade Wert: 0 bis 15 (2 4 = 16 Werte) acht Dualstellen: 8 Bit 2 Nibble 1 Byte Wert: 0 bis 255 (2 8 = 256 Werte) 16 Dualziffern: 2 Byte 1 Wort Wert: 0 bis (2 16 = Werte) 32 Dualziffern: 4 Byte 2 Worte 1 Doppelwort Wert: 0 bis (2 32 = Werte) d) Rechnen mit Dualzahlen Rechnen mit Binärzahlen unterscheidet sich nicht vom uns bekannteren Rechnen mit Dezimalzahlen. Es werden also auch hier bei größeren Binärzahlen alle Stellen von rechts nach links einzeln addiert, subtrahiert, etc. Dabei ist nur zu bedenken, daß sich eben bereits bei Ergebnissen größer als Eins ein Übertrag ergeben kann. Addieren: Rechenregeln: = = = 1

8 Kiermaier (C)opyright = 0 Übertrag 1 Beispiel: = Subtrahieren: Rechenregeln: 0-0 = = 1 Übertrag 1 (geborgt) 1-0 = = 0 Beispiel: = Der Prozessor ist allerdings technisch nicht in der Lage auf diese Weise zu subtrahieren, da er nur über ein Addierwerk verfügt. Glücklicherweise kann man aber auch auf eine andere Art subtrahieren, nämlich durch Addition mit dem Komplement (=Negativen) des Subtrahend. Das Komplement: Komplementieren heißt alle Ziffern der Dualzahl mit dem jeweils anderen binären Wert zu vertauschen: aus 0 wird 1 und aus 1 wird 0 (führende Nullen nicht vergessen!). Aus diesem Einerkomplement wird dann durch Addition einer Eins das sogenannte Zweierkomplement, was dann tatsächlich eine negative Zahl darstellt. Wenn man dieses Zweierkomplement nun zum Minuend addiert, hat man in Wirklichkeit eine Subtraktion ausgeführt. Beispiel: = = (Einerkomplement) (Zweierkomlement) Multiplizieren: Multiplizieren kann der Prozessor durch fortgesetztes Schieben und Addieren. Rechenregeln: 0 0 = = = = 1 Beispiel: = (1 1010) ( ) ( )

9 Kiermaier (C)opyright Dividieren: Ebenso läßt sich die Division auf fortgesetzte Subtraktion und damit wieder auf eine Addition zurückführen. Rechenregeln: 0 : 0 = 0 0 : 1 = 0 1 : 0 = 0 1 : 1 = 1 Beispiel: : 1010 = : 1010 = : 1010 = 0 Natürlich muß auch hier jeweils die Zahl in ihr Zweierkomplement umgewandelt werden, damit man statt der Subtraktion die Addition anwenden kann. Letztendlich lassen sich jedoch alle mathematischen Operationen auch die grundlegende Addition zurückführen. Allerdings muß man das nicht alles ganz genau wissen, um in Assembler programmieren zu können, aber es hilft mehr Verständnis für die Funktionen des Computers zu erhalten Das Hexadezimalsystem (Sedezimalsystem) Ziffern: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F (insgesamt 16) Rechenbasis: 16 Jede hexadezimale Zahl setzt sich aus der Summe ihrer Sechzehnerpotenzen zusammen. Beispiel: 21 h = (=Multiplikator) F h = F 16 0 = = 4879 d Zur Unterscheidung zwischen Dezimalzahlen und Hexadezimalzahlen wird an die letzte Ziffer der Hex-Zahl ein kleines "h" angehängt (INTEL-Konvention). Außerdem schreibt man vor die Zahl eine führende Null, wenn die erste Ziffer ein Buchstabe (A,B,C,D,E,F) ist, um die Zahl von einem Wort oder Namen zu differenzieren (z.b. "1Ah" oder "0DBh"). a) Bezeichnungen: eine Hex-Ziffer: 4 Bit Wert: 0 bis 15 (16 1 = 16 Werte)

10 Kiermaier (C)opyright zwei Hex-Ziffern: vier Hex-Ziffern: 8 Bit 1 Byte Wert: 0 bis 255 (16 2 = 256 Werte) 2 Byte 1 Wort Wert: 0 bis (16 4 = Werte) Die dadurch bedingte leichte Umwandelbarkeit von Hex-Zahlen in Dualzahlen und die geringere Anzahl der nötigen Stellen sind der große Vorteil des Sedezimalsystems. b) Umwandlung Hexadezimal Dezimal Die Umwandlung einer hexadezimalen Zahl in eine dezimale erfolgt genau bei binären Zahlen. Beispiel: Umwandlung der binären Zahl 12A h Hex-Zahl: A h = 298 h c) Umwandlung Dezimal Hexadezimal Auch das läuft nach dem bei Binärzahlen bereits beschriebenen Verfahren ab. Allerdings wird hierbei die zu wandelnde Zahl jeweils durch 16 geteilt. Beispiel: Umwandlung der dezimalen Zahl d : 16 = 3395 Rest : 16 = 212 Rest : 16 = 13 Rest 4 13 : 16 = 0 Rest 13 = D Die Hex-Zahl ergibt sich aus den Resten, von unten nach oben gelesen d = 0D431 h d) Umwandlung Hexadezimal Dual Man trennt die hexadezimalen Stellen auf und erhält dadurch jeweils ein Nibble (= 4 Bit). Das Nibble läßt sich aber wieder sehr leicht binär darstellen (die ersten 16 Binärzahlen sollte man im Kopf haben!). Beispiel: Umwandlung der hexadezimalen Zahl 8A h 8A h 8 A ( ) ( ) b e) Umwandlung Dual Hexadezimal

11 Kiermaier (C)opyright Dabei ist genau der umgekehrte Vorgang anzuwenden. Zuerst trennt man die Dualzahl von rechts (niederwertigste Stelle) beginnend in jeweils vier Ziffern auf. Die jeweiligen Vierergruppen lassen sich dann leicht in die entsprechende hexadezimale Ziffer überführen. Beispiel: Umwandlung der binären Zahl b b B 9 0B9 h d) Besondere Bedeutung der Hex-Zahlen Das Hexadezimalsystem ist von besonderer Bedeutung in der EDV, weil auch große Zahlen leicht schreibbar sind und weniger Stellen benötigen (z.b d = FFFF h ). Außerdem lassen sich Hex-Zahlen leicht ins Dualsystem umrechnen, welches für die Maschinensprache besonders wichtig ist (der Computer versteht nur 0 oder 1) Negative Zahlen Negative Zahlen lernten wir bereits bei der Subtraktion in Form des Zweierkomplements kennen. Es entstand dadurch, daß man alle Bits der Zahl invertierte (einschließlich aller führenden Nullen) und dann eine Eins dazuaddierte, um eine doppelte Null (+0, -0) zu vermeiden. So entsteht zum Beispiel aus der Zahl 0011 b (= +3) die negative Zahl 1101 b (= - 3). Aber wie kann man nun unterscheiden, ob es sich bei 1101 b um die negative Zahl -3 oder die positive Zahl +13 handelt? Antwort: prinzipiell gar nicht! Deshalb muß der Programmierer die Unterscheidung treffen, ob er negative Zahlen zulassen oder nur positive haben will. Definition: Läßt man negative Zahlen zu, so ist das höchste Bit einer Binärzahl als Vorzeichenbit reserviert. Ist dieses Vorzeichenbit gleich Eins, so ist die Zahl negativ. Ist das Bit gleich Null, so ist sie positiv. Dadurch schränkt man den positiven Wertebereich auf die Hälfte ein. Ein Byte kann dann maximal die positive Zahl +127 (statt +255) darstellen. Da allerdings die kleinste negative Zahl -128 ist, umfaßt ein Byte nach wie vor 256 Werte (-128 bis +127). Um den Betrag einer negativen Binärzahl zu ermitteln, geht man den umgekehrten Weg wie bei der Bildung des Zweierkomplements. Zuerst subtrahiert man von der Zahl eine Eins und invertiert dann alle Bits. Das Ergebnis ist die der positive Betrag der Zahl. Beispiel: Betrag der Zahl -75 feststellen (-1) (Invertieren) b b b Vorzeichen (= Sign)

12 Kiermaier (C)opyright Fließkomma - Zahlen Auch Fließkommazahlen lassen sich binär darstellen. Dazu muß man sich überlegen, wie man binäre Zahlen darstellt, die kleiner als Eins sind. Die Eins läßt sich durch 2 0 ausdrücken, was ergeben aber zum Beispiel negative Exponenten? Die Mathematik sagt, Potenzen mit negativen Exponenten stellen Brüche dar. Beispiel: 2-1 = 1/2 1 = 1/2 = 0,5 2-2 = 1/2 2 = 1/4 = 0, = 1/2 3 = 1/8 = 0,125 usw. Das heißt wir brauchen unsere Darstellung für binäre Zahlen nur durch negative Exponenten erweitern und bekommen automatisch Fließkommazahlen. Nun gibt es eine Norm für solche Zahlen, die in nahezu allen Programmen genutzt wird, die IEEE 754. Nach dieser Norm besteht eine Fließkommazahl immer aus einem ganzahligen Anteil zwischen 0 und 9 vor dem Komma und dem Nachkommaanteil. Der wiederum wird gefolgt von der Zehnerpotenz, mit der die Bruchzahl multipliziert werden muß, um die eigentliche Größe der Zahl zu erhalten. Beispiel: 19,375 = 1, Ins Binärsystem übertragen, heißt das, eine Fließkommazahl hat einen ganzzahligen Anteil zwischen 0 und 1, sowie einen Nachkommaanteil und eine Zweierpotenz, die die Betragsgröße definiert. Beispiel: ,5 0,25 0,125 0,0625 7,5 d = 1, = 1, Zusätzlich müssen je ein Bit für das Vorzeichen der Zahl und das Vorzeichen des Exponenten reserviert werden. Sign Mantisse Sign Exponent Somit hätten wir die Zahl 7,5 d im 1-Byte-Fließkommaformat dargestellt. Die Anzahl der Bits für die Mantisse ergibt die Genauigkeit, mit der eine Zahl angegeben wird (hier mit ± 0,0625). Die Anzahl der Bits für den Exponenten ergeben in welchen Betragsbereich die Zahl dargestellt werden kann (hier von 2-4 bis 2 +3 ). Die größte positive Zahl lautet also mit diesem Format 9,875 und die kleinste 0, Im IEEE-Format werden allerdings statt 8 Bit 32 oder 64 benutzt. Intern rechnen die Arithmetikprozessoren (80x87) sogar mit 80 Bit, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Trotzdem läßt die Genauigkeit zu wünschen übrig, da es Zahlen gibt, die man auf diese Art einfach nicht darstellen kann (irrationale Zahlen). Dazu gehört zum Beispiel 1/3, das man im Dezimalsystem auch nicht genau angeben kann.

13 Kiermaier (C)opyright BCD - Zahlen BCD steht für Binary Code Decimal und bedeutet soviel wie 'Dezimalcode in Binärdarstellung'. In diesem Code kann jedes Nibble (= 4 Bit) nur Werte zwischen 0 und 9 annehmen. Die restlichen Binärwerte (1010 b bis 1111 b ) sind verboten und heißen Pseudotetraden. Ein ganzes Byte kann also maximal zwei BCD-Ziffern enthalten, wodurch sich ein Wertebereich von 0 bis 99 ergibt. Der Prozessor verfügt für diese BCD-Zahlen spezielle Befehle. Generell wird zwischen gepackten und ungepackten BCD-Zahlen unterschieden. Als gepackt wird eine BCD-Zahl verstanden, die je Byte zwei Ziffern (0 bis 99) enthält. Ungepackt hingegen ist ein BCD-Zahl, wenn sie nur eine Ziffer je Byte enthält (0 bis 9). Bei Rechenoperationen mit BCD-Zahlen muß unter Umständen das Ergebnis korrigiert werden, da es Pseudotetraden (also unerlaubte Werte) enthält. Beispiel: 1001 b 9 d b 1 d 1010 keine gültige BCD-Ziffer, korrekt wäre b dazu muß eine Sechs addiert werden: b 6 d b zwei gültige BCD-Ziffern Textzeichen Mit dem Wunsch Texte zu übermitteln oder zu verarbeiten, wurde eine weitere Zahlengruppe nötig. So enthält ein einfacher Zeichensatz: 26 Großbuchstaben 26 Kleinbuchstaben 10 Ziffern die Zeichen + - * / ;,.?! : " usw. einige Sonder- und Steuerzeichen <CR>, < LF>, usw. Insgesamt also mindestens 80 verschiedene Zeichen! Wieviele Bit sind denn nun nötig, um diese 80 Zeichen darzustellen? 2 x = 80 x = ld(80) = log(80)/log(2) = 6,32 7 Bit Mit 7 Bit lassen sich 2 7 = 128 Zeichen darstellen. Es wird dabei jeder Zahl zwischen 0 und 127 ein Zeichen zugeordnet. Der Zusammenhang ist im sogenannten ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange) festgelegt. In diesem Code entsprechen zum Beispiel Ziffern '0' bis '9' 30h bis 39h Großbuchstaben 'A' bis 'Z' 41h bis 5Ah

14 Kiermaier (C)opyright Da im Computer in der Regel 1 Byte (also 8 Bit) benutzt werden, stehen zusätzlich weitere 128 Zeichen zur Verfügung, die beim IBM-PC aus Grafik- und internationalen Sonderzeichen bestehen. Merke: Der Prozessor arbeitet nur mit Zahlen. Was die jeweilige Zahl darstellt (ob Textzeichen, Fließkommazahl, BCD-Zahl, etc) kann er nicht unterscheiden. Diese Vorgabe muß der Programmierer treffen, wenn er das Programm erstellt.

15 Kiermaier (C)opyright Logische Verknüpfungen Das Binärsystem ist für die Computertechnologie deshalb so wichtig, weil der Prozessor ja nur die beiden Zustände 0 und 1 erkennt. Wie werden diese Zustände nun konkret verarbeitet? Es gibt dafür einige grundlegende Schaltungen, die in den ICs (Integrierte Schaltungen), aus denen der Computer besteht, enthalten sind. In diesen 'Gattern' werden zwei oder mehr Bits (Signale) miteinander logisch verknüpft. Die wichtigsten Elemente, die es auch als Programmierbefehl. gibt, werden nun vorgestellt. a) NICHT (Inverter) Symbol: DIN IEC = Wahrheitstabelle: E A Zahl der Eingänge: = 2 Zustände am Ausgang Funktion: Komplementiert den Eingangszustand ("Dreht ihn um") b) UND Symbol: DIN IEC & Wahrheitstabelle: E1 E2 A Zahl der Eingänge: = 4 Zustände am Ausgang Funktion: Am Ausgang erscheint nur dann eine 1, wenn Eingang E1 und Eingang E2 gleich 1 sind. c) ODER Symbol: DIN IEC

16 Kiermaier (C)opyright >1 Wahrheitstabelle: E1 E2 A Zahl der Eingänge: = 4 Zustände am Ausgang Funktion: Am Ausgang erscheint dann eine 1, wenn Eingang E1 oder Eingang E2 oder beide gleich 1 sind. d) Exklusiv Oder (XOR) Symbol: DIN IEC =1 Wahrheitstabelle: E1 E2 A Zahl der Eingänge: = 4 Zustände am Ausgang Funktion: Am Ausgang erscheint nur dann eine 1, wenn entweder Eingang E1 oder Eingang E2 gleich 1 ist. e) Anwendungen Da diese logischen Funktionen nicht nur in der Hardware, sondern auch in Programmen sehr nützlich sind, gibt es im Prozessor eigene Befehle dafür. Folgende Beispiele sollen zeigen, wozu man diese Befehle einsetzen kann. Beispiel1: Ergebnis: Verknüpfe bitweise die Zahl 64 d mit der Zahl 255 d über die UND-Logik! Wenn man ein Bit einer Zahl mit 0 verundet, wird dieses Bit gleich 0 gesetzt (zurückgesetzt), wird das Bit dagegen mit 1 verundet, so ändert sich der Wert des Bits nicht. Beispiel2: Verknüpfe bitweise die Zahl 64 d mit der Zahl 191 d über die ODER-Logik! Ergebnis: Mit der ODER-Logik kann ein Bit gleich 1 gesetzt werden, wenn man es mit 1 verodert. Die Verknüpfung mit 0 ergibt keine Veränderung des Werts.

17 Kiermaier (C)opyright Beispiel3: Ergebnis: Beispiel4: Verknüpfe bitweise die Zahl 55 h mit der Zahl 255 d über die EXOR-Logik Bei diesem Beispiel entsteht das Einerkomplement der ersten Zahl. Während ein EXOR-Verknüpfung mit einer 0 die Ziffer der Binärzahl nicht ändert, invertiert eine 1 offensichtlich das Bit. Um die Zahl zu negieren, muß abschließend nur noch eine 1 hinzuaddiert werden (Zweierkomplement). Hardwareschaltung des Halbaddierers E1 E2 S Ü E2 E1 S Ü Ein Halbaddierer ist also in der Lage zwei Bit (Binärstellen) zu addieren! Werden nun viele Halbaddierer hintereinander geschaltet, so ergibt sich ein Volladdierer, wie er im Prozessor vorhanden ist und mit dem alle Rechenoperationen ausgeführt werden. 1E0 2E0 S0 S1 1E1 2E1 S2 1E2 2E2 S3 1E3 2E3 Ü 4-Bit Volladdierwerk

18 Kiermaier (C)opyright Aufgaben zu den Grundlagen I Zahlenumwandlungen a) Dezimal Dual 38 d = 256 d = Dual Dezimal b = b = b) Hexadezimal Dezimal 2A h = 1AF h = Dezimal Hexadezimal d = 1024 d = c) Hexadezimal Dual 32 h = 0D h = Dual Hexadezimal b = b = Operationen mit Dualzahlen a) Wieviele verschiedene Werte können mit 12 Bit dargestellt werden (z.b. mit einem D/A Wandler im CD-Player)? b) Schreiben Sie die Dezimalzahl -12 in einer 1-Byte Darstellung binär auf! c) Subtrahieren Sie die Dezimalzahl 13 von der Dezimalzahl 18 in binärer Rechnung! Welches Zeichen beschreibt der ASCII-Code 40 h? Das Ergebnis einer Rechenoperation lautet 63 (im ungepackten BCD-Code). Welche logischen Operationen nehmen Sie vor, um das Ergebnis auf dem Bildschirm ausgeben zu können?

19 Kiermaier (C)opyright Die Hardware des Computers 3.1. Aufbau und Bestandteile Jeder Computer setzt sich aus vier Grundbestandteilen zusammen: Eingabeeinheit (meist die Tastatur, aber auch Disk, Scanner, etc.) Ausgabeeinheit (meist der Bildschirm, aber auch Disk, Drucker, etc.) Zentraleinheit (beinhaltet den Mikroprozessor und den Hauptarbeitsspeicher) Speichereinheit (zusätzlicher externer Speicher: Disk, Expanded Memory, etc.) Dabei ist es interessant, die unterschiedlichen Speichertypen genauer zu betrachten und ihre Eigenarten kennenzulernen. RAM (Random Access Memory) So nennt man den Speichertyp, der einen wahlfreien Zugriff, also Schreiben und Lesen, ermöglicht. Er besteht in der Regel aus kleinen Kondensatoren, die mit Informationen 'geladen' werden. Darin können dann beliebige Daten, wie Programme oder Texte, abgelegt werden. Nach dem Abschalten des Computers verliert sich die Ladung der Kondensatoren und die Daten darin gehen verloren. Im PC ist RAM-Speicher in Form von SIMMs (Single Inline Memory Modules) eingebaut. Üblich sind hier 1 bis 4 MB je Modul, wobei der Rechner meist mit 32 bis 128 MB bestückt wird. ROM (Read Only Memory) Aus diesem Speichertyp können Informationen nur gelesen werden. Die Daten werden üblicherweise vom Hersteller durch höhere Stromwerte 'eingebrannt'. Da es sich dabei um einen zerstörerischen Vorgang handelt, kann diese Programmierung nicht mehr rückgängig gemacht werden. Allerdings hat diese Methode den Vorteil, daß Daten und Programme nach dem Ausschalten des Computers nicht verloren gehen. Beim Computer ist es nach dem Einschalten wichtig, daß bereits ein Programm vorhanden ist, das ausgeführt werden kann. Das Betriebssystem muß ja erst noch geladen werden und dazu muß eine Routine nach dem Start ausgeführt werden. Dieses Bootprogramm steht in einem PROM (Programmable ROM), dem sogenannten BIOS-EPROM. In diesem Zusammenhang sollte auch der Begriff 'Zugriffszeit' geklärt werden. Man versteht darunter die Zeit, die vergeht, bis die Daten in den Mikroprozessor geladen wurden. RAM- Bausteine sind hier sehr schnell (ca. 70ns = s = 0, s), darum werden sie auch für den Hauptarbeitsspeicher eingesetzt. EPROM-Bausteine sind dagegen vergleichsweise langsam (ca. 200ns = 0, s = 0, s). Noch schneller als RAM- Bausteine sind Speicherelemente für den sogenannten CACHE, einem prozessoreigenen Speichertyp (ca. 30ns). Gleichzeitig ist dieser RAM-Speicher aber sehr teuer und deshalb nur in sehr geringem Maß im Computer vertreten.

20 Kiermaier (C)opyright Der Mikroprozessor 8088/ Grundstruktur Jeder Prozessor besteht aus folgenden Grundelementen: Das Steuerwerk (CU = Control Unit) Kontrolliert die Ein- und Ausgabe von Daten und Befehlen Das Rechenwerk (ALU = Arithmetical Logical Unit) Führt Operationen, wie Addition, Subtraktion, etc. und logische Verknüpfungen aus. Interne Speicherzellen (Register) Dazu gehören mindestens AKKU-, FLAG- und verschiedene Allzweckregister, sowie der Befehlszeiger. Daten ALU Steuerwerk Adressen FLAGS AKKU Stackzeiger Befehlszeiger Nach außen ist jeder Prozessor über die Datenleitung verbunden. Über sie kann er Informationen, zum Beispiel Daten und Befehle, erhalten und auch wieder ausgeben. Zusätzlich enthält jeder Prozessor die Möglichkeit bestimmte einzelne Speicherzellen, in die Daten abgelegt werden sollen, auszuwählen. Dazu verfügt er über Adressleitungen. Je mehr Adressleitungen am Prozessor vorhanden sind, desto mehr Speicher kann er ansprechen. Für ein Megabyte braucht er beispielsweise 20 Leitungen (2 20 = ) Der 8088/86 Prozessor intern Der INTEL-Prozessor 8088/86 ist eine 16-Bit CPU, die intern in 2 Bereiche aufgeteilt ist: Die Execution Unit (EU) Sie enthält als 'Ausführende Einheit' folgende wichtige Bestandteile - Allgemeine Register (= interne Speicherzellen) - die ALU (= Arithmetic Logical Unit bzw. Rechenwerk) - die Steuereinheit zur Koordinierung des Ablaufs und Befehlserkennung - Befehls- und Flag(= Status-)register Die Bus Interface Unit (BIU) - das 20Bit-Adressierwerk - Segment- und Befehlszeigerregister - die Befehlswarteschlange

21 Kiermaier (C)opyright Und so sieht der Innenaufbau der CPU schematisch aus: Allzweckregister AH BH CH DH SP BP DI SI AL BL CL DL (16Bit) SUM CS DS ES SS IP Interne Register (20Bit) BUS Steuerung Adressen Temporär ALU EU Steuerwerk Befehlsschlange Daten FLAGS Execution Unit (EU) Bus Interface Unit (BIU) Die Register des 8088/86 a) Allgemeine Register Der 8088/86 Prozessor verfügt über vier allgemein verwendbare 16-Bit Register, die mit den Namen AX, BX, CX und DX bezeichnet werden. Dabei steht AX für das Universalregister, den Akku und das 'B' in BX für den Hauptverwendungszweck als Basisregister. CX wird hauptsächlich als Zählerregister (= Counter) und DX für Datenzeiger benutzt. Die vier Register sind aber nicht an diese Verwendung gebunden, sondern können nach Belieben vom Programmierer mit Werten geladen oder zum Zwischenspeichern von Werten gebraucht werden. Darüberhinaus können alle vier 16-Bit Register in je zwei 8-Bit Register aufgeteilt werden. So kann man beispielsweise mit der Bezeichnung AH das höherwertige Byte und mit AL das niederwertige (= lower) Byte des Akkus angesprochen werden. Demzufolge heißen die übrigen Teilregister BH, BL, CH, CL, DH und DL. Wie bei allen Registern bleiben natürlich beim Auslesen der Daten die Inhalte der Speicherzellen erhalten, werden also nicht dadurch automatisch gelöscht. Erst ein erneutes Einschreiben von Daten verändert die Inhalte, so wie man es von Variablen in Hochsprachen gewöhnt ist.