Rechnerorganisation 2 TOY. Karl C. Posch. co1.ro_

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1 Technische Universität Graz Institut tfür Angewandte Informationsverarbeitung und Kommunikationstechnologie Rechnerorganisation 2 TOY Karl C. Posch co1.ro_

2 Ausblick. Erste Hälfte 1. Einleitung 2. TOY Computer 3. Abstraktionsebenen und Modelle 4. Hardware von unten betrachtet 5. Funktionale Modellierung 6. Register Transfer Modellierung 7. Modelle auf Logikebene Ausblick: Zweite Hälfte 8. Eingabe/Ausgabe 9. Stack, Cll& Call Rt Return 10. Interrupt 11. Kommunikation zwischen Maschinen 12. Cache Speicher 13. Virtueller Speicher 14. Pipelines 15. Zusammenfassung 2

3 Darstellung von Information Zahlen Text Bilder Audio Video Exekutierbare Dateien Römische Zahlen V + VI = XI Zahlensysteme MMXI MCMLIII Gewichtete Zahlensysteme Basis r Restklassenzahlensysteme (Addieren, Subtrahieren und Multiplizieren in konstanter Zeit; Division geht nicht) 3

4 Gewichtete Zahlensysteme Basis b=10: Dezimalsystem Basis b=60: Sexagesimal (Sumerer) Basis b=2: Binärsystem Basis b=8: Oktalsystem Basis b=16: Sedezimalsystem oder Hexadekadisches System oder Hexadezimalsystem Ziffern (digits) und Zahlen (numbers) Ziffern im Dezimalsystem: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Zahlen im Dezimalsystem: 2011 = zweitausendelf Stellenwertsystem: Wir schreiben nur die x i auf: Führende Nullen kann man weglassen 4

5 Umrechnung binär zu hex B C 3 5 0xBC35 (BC35) 16 `hbc35 5

6 Umwandlung Umwandlung 6

7 Arithmetik Negative Zahlen mit Zweierkomplementdarstellung (Beispiel 16 Bit) 7

8 Negation bei 2er Komplementdarstellung Inversion und Inkrementieren Beispiel (8 Bit) 0x65 = 6* = = 101 0x98 ist negativ, da höchstwertiges Bit gleich 1 Einserkomplement von 0x98: 1001_1000 invertieren ergibt 0110_0111 Zweierkomplement: Einserkomplement plus 1 : 0110_1000: 1000 entspricht ht068 0x68 0x68 = 6* = dezimal 104 Daraus folgt: 0x98 entspricht der Dezimalzahl minus

9 Beispiel (16 Bit) 366 =? 366 = = = = 0000_0001_0110_1110 Einserkomplement = 1111_1110_1001_ Zweierkomplement = 1111_1110_1001_0010 = 0xFE92 Overflow 9

10 Bit Operationen: ~ & ^ NOT AND OR XOR Multiplikation mit 2: Left Shift 43 << 3 = 43 * 2 3 =

11 Right Shift Positive Zahlen: Werden links mit 0 gefüllt Division durch 2 i und abrunden. Negative Zahlen: Werden links mit 1 gefüllt Ebenfalls Division durch 2 i, jedoch mit Aufrundung Unsigned Right Shift: Links wird in allen Fällen mit 0 gefüllt Big Endian Little Endian 1 16 Bitwort besteht aus 2 Bytes. zb: z.b: 0x70F2 Diese beiden Bytes werden auf 2 Adressen nacheinander gespeichert: 0x70 und 0xF2 Welches ist das erste von den zwei Bytes? Big Endian: auf der niederen Adresse 0x70, dann 0xF2 auf der nachfolgenden höheren Adresse (Java, PowerPC Little Endian: umgekehrt. Natürlicher. (Intel) 11

12 TOY Wie funktioniert ein Computer? Woher kommt all dieses Pointer Zeugs? Maschinensprache als Schnittstelle zwischen Hardware und Software TOY: Die Strukturelemente PC R0: R1: R2: R3: R4: IR Adresse 0x00: 0x01: Speicher mit 256 x 16 Bit für Dateneingang RD: RE: RF: write 0xFF: Maschinen Programm und Daten Datenausgang 12

13 TOY: Fetch Instruction PC R0: R1: R2: R3: R4: IR 0x10 Adresse = 0x10 0x00: 0x01: 0x10: 0x8435 Dateneingang RD: RE: RF: write 0xFF: Datenausgang TOY: Fetch Instruction PC R0: R1: R2: R3: R4: IR 0x10 Adresse = 0x10 0x00: 0x01: 0x10: 0x8435 Dateneingang RD: RE: RF: write 0xFF: Instruktion = 0x8435 Datenausgang 13

14 TOY: Fetch Instruction R0: R1: R2: R3: R4: PC 0x10 Adresse = 0x10 IR 0x8435 0x00: 0x01: 0x10: 0x8435 Dateneingang RD: RE: RF: write 0xFF: Instruktion = 0x8435 Datenausgang Load, Verarbeiten, Store R0: R1: R2: R3: R4: PC 0x10 IR 0x8435 0x35 0x00: 0x01: 0x35: 0x1234 Dateneingang RD: RE: RF: write 0xFF: Datenausgang 14

15 15 Load, Verarbeiten, Store 0x00: Dateneingang 0x10 PC 0x00: 0x01: 0x35: R0: R1: R2: R3: R4: 0x1234 0x8435 IR 0x35 0xFF: Datenausgang write RD: RE: RF: Load, Verarbeiten, Store 0x00: Dateneingang 0x10 PC 0x00: 0x01: 0x35: R0: R1: R2: R3: R4: 0x1234 0x1234 0x8435 IR 0x35 0xFF: Datenausgang write RD: RE: RF:

16 16 Load, Verarbeiten, Store 0x00: Dateneingang Addierer PC 0x00: 0x01: 0x0B: R0: R1: R2: R3: R4: 0x1312 IR 0xFF: Datenausgang write RD: RE: RF: Load, Verarbeiten, Store 0x00: Dateneingang PC 0x00: 0x01: 0x0B: 0x0B R0: R1: R2: R3: R4: 0x950B IR 0x35 0xFF: Datenausgang write RD: RE: RF:

17 Word size = 16 TOY Main memory: Hauptspeicher, Arbeitsspeicher Register: R0, R1,, RF Programmzähler PC Instruktionsregister IR Input/Output: Zugang von der und zur Außenwelt Von Neumann Architektur Lassen wir die Maschine laufen 17

18 Tasten (Input) und Lampen (Output) und eine Entwicklungsumgebung 18

19 TOY Instruction Set Architecture Instruktionsformate 19

20 Arithmetik und Logik Arithmetik und Logik 20

21 Arithmetik und Logik Arithmetik und Logik 21

22 Arithmetik und Logik Transfer: Load und Store 22

23 Programmflusskontrolle Wozu Simulatoren? TOY Simulator In Java: TOY.java In Verilog: wir werden viele TOY Varianten studieren Translators: TOY to Java Java to TOY 23

24 Bootstrapping TOY Simulator auf TOY Better TOY Simulator auf TOY Eine einfache Maschine kann komplexere Maschinen simulieren Dualität zwischen Code und Daten Denkaufgabe: Schreiben Sie ein C Programm, dessen Ausgabe der Quellcode eben dieses C Programms ist. 24

25 Was du in Teil 2 alles gelernt hast Du verstehst das Dezimalsystem und kannst dieses auf eine allgemeine Basis ausweiten. Du verstehst insbesondere das Binärsystem und kennst den einfachen Zusammenhang mit dem Hexadezimalsystem. Du kannst Zahlen vom Dezimalsystem ins Binärsystem und umgekehrt konvertieren. Du kannst im Binärsystem addieren. Was du in Teil 2 alles gelernt hast Du verstehst, wie man im Binärsystem negative Zahlen Zhl mit der Zweierkomplementdarstellung darstellen kann. Du hast mehrere der Übungen auf p// p / / gemacht und bist in der Lage, auch alle anderen Übungen zu machen. 25

26 Was du in Teil 2 alles gelernt hast Du kennst die bei Visual X TOY aus. Du kennst in diesem Zusammenhang die Begriffe Wortgröße, Hauptspeicher, Register, Program Counter und Core Dump. Du hast mehrere einfache Programme auf Visual X TOY ausprobiert und verstanden. Du hast auch selbst mehrere einfache Programme für TOY geschrieben und ausprobiert. Du verstehst die 16 Maschinenbefehle von TOY. 26

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