Mikroprozessortechnik und Rechnerstrukturen

Transkript

1 Thomas Flik Mikroprozessortechnik und Rechnerstrukturen 7., neu bearbeitete Auflage Unter Mitwirkung von H. Liebig und M. Menge Mit 303 Abbildungen Technische Univer,?Jä! Dennsfadt FACHBEREICH INFORMATIK BIBLIOTHEK Inventer-Nr.: Sachgebiete: Standort: Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in den Aufbau und die Programmierung von Mikroprozessorsystemen Informationsdarstellung Informationseinheiten Zeichen (characters) Hexadezimal-und Oktalcode Ganze Zahlen Gleitpunktzahlen Binärcodierte Dezimalziffern (BCD-Zahlen) Rechnerstruktur (CISC) Übersicht über die Hardwarekomponenten Busorientierte Systemstruktur Mikroprozessor Speicher Ein-/Ausgabeeinheit Assemblerprogrammierung (CISC) Programmdarstellung Programmübersetzung (Assemblierung) Programmeingabe und Textausgabe Der RISC-Mikroprozessor (Autor: H. Liebig) Prozessorstruktur Maschinen-/Assemblerprogrammierung 57 2 Der Mikroprozessor ClSC-Programmiermodell Registersatz und Prozessorstatus Datenformate, Datentypen und Datenzugriff Adressierungsarten und Befehlsformate Befehlssatz Unterbrechungssystem und Betriebsarten RISC-Programmiermodell Registersatz und Prozessorstatus Datenformate, Datentypen und Datenzugriff 110

3 X Inhaltsverzeichnis Adressierungsarten und Befehlsformate Befehlssatz Unterbrechungssystem und Betriebsarten Moderne Prozessorarchitekturen mit parallel arbeitenden Funktionseinheiten Coprozessorsysteme Superskalare Prozessoren Konflikte durch Abhängigkeiten VLIW-Prozessoren Superpipelining Sprungvorhersage Sprungvermeidung Vielfädige Verarbeitung (multithreading) Assemblerprogrammierung mit C-Entsprechungen Assemblersprache Algorithmendarstellung Assemblersyntax und Assembleranweisungen Feste und verschiebbare Programme Makrobefehle und bedingte Assemblierung Programmflußsteuerung Programmverzweigungen Programmschleifen Unterprogrammtechniken Unterprogrammanschluß Parameterübergabe Geschachtelte Unterprogramme Modulare Programmierung RISC-spezifische Programmierung (Autor: H. Liebig) Lade-/Speichere-Problematik Unterprogrammanschluß Programmunterbrechungen Maschinennahe Programmierung in C (Autor: M. Menge) Abstraktion von der Maschine Abstraktion durch das Betriebssystem Abstraktion durch den Übersetzer C-Übersetzer mit Zuschnitt auf den Prozessor Speicher-und Ein-/Ausgabezugriffe Datentypen 227

4 Inhaltsverzeichnis XI Interrupts Nutzung prozessorspezifischer Merkmale Portabilität Standard-C mit Spezialisierung durch Assemblereinbindungen Inline-Assembler Assemblermodule Startup-Code C-Programmierung mit Betriebssystemunterstützung Kommerzielle und frei verfügbare Betriebssysteme Entwurf eines einfachen Betriebssystems Busse und Systemstrukturen Systemaufbau und Systemstrukturen Einkarten-und Ein-chip-Systeme Mehrkartensysteme Ein-und Mehrbussysteme Bus-und Übertragungsmerkmale PC-Busse (ISA, EISA, PCI, PCI-X, PCI-Express) PC-Strukturen mit Bridges, Hubs und Switches Mehrprozessorstrukturen (UMA, NUMA) Industrielle Busse (Multibus II, VMEbus) Adressierung der Systemkomponenten Isolierte und speicherbezogene Adressierung Karten-, Block- und Bausteinanwahl Byte-, Halbwort- und Wortanwahl Big-endian- und Little-endian-Byteanordnung Busankopplung Datentransportsteuerung Asynchroner und synchroner Bus Schreib-und Lesezyklen Blockbuszyklus Busarbitration Buszuteilung Systemstrukturen Interruptsystem und Systemsteuersignale Codierte Interruptanforderungen Uncodierte Interruptanforderungen Besondere Unterbrechungssignale Der PCI-Local-Bus und sein Nachfolger PCI-X Motivation und technische Daten 345

5 XII Inhaltsverzeichnis Bussignale Busoperationen PCI-X-Bus Speicherorganisation Speicheraufbau und Speicherzugriff Funktionsweise von SRAMs und DRAMs Aufbau einer Speichereinheit Verschränken von Speicherbänken Überlappen von Buszyklen Blockbuszyklen aus Prozessor-und Speichersicht Blockzugriffstechniken bei DRAMs und SRAMs Caches Systemstrukturen Laden des Cache Cache-Strukturen Aktualisierungsstrategien und Datenkohärenz Virtuelle und reale Cache-Adressierung Speicherverwaltungseinheiten Segmentverwaltung (segmentation) Seitenverwaltung (paging) Mehrstufige Speicherverwaltung Speicherschutz und Speicherstatus Ein-/Ausgabeorganisation und Rechnerkommunikation Prozessorgesteuerte Ein-/Ausgabe Ein einfacher Interface-Baustein Synchronisationstechniken Gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Ein-/Ausgabevorgänge Allgemeine Übertragungsmerkmale Punkt-zu-Punkt-und Mehrpunktverbindung Schnittstellen Software- und hardwaregesteuerte Datenübertragung Serielle und parallele Datenübertragung Synchrone und asynchrone Datenübertragung Simplex-, Halbduplex-und Duplexbetrieb Übertragungs-, Transfer- und Schrittgeschwindigkeit Parallele Schnittstellen Universelle Parallel-Schnittstellen Parallel-Interface-Baustein 474

6 Inhaltsverzeichnis XIII Centronics IEEE 1284: Compatibility-, Nibble-und Byte-Mode IEEE 1284: Enhanced-Parallel-Port-Mode (EPP) IEEE 1284: Extended-Capability-Port-Mode (ECP) Serielle Schnittstellen V.24/V.28 (RS-232-C) V.10(RS-423-A)undV.ll(RS-422-A) RS X Asynchron-serielle Datenübertragung Bit-und Zeichensynchronisation Erhöhung der Übertragungssicherheit Asynchron-serieller Interface-Baustein Synchron-serielle Datenübertragung Bit-und Zeichensynchronisation BISYNC-, HDLC-und SDLC-Protokoll Synchron-serieller Interface-Baustein Rechnernetze und Datenfernübertragung Weitverkehrsnetze und lokale Netze Datenfernübertragung Sicherung der Datenübertragung Ein-/Ausgabesteuereinheiten, periphere Verbindungen und Hintergrundspeicher DMA-Controller und Ein-/Ausgaberechner Direktspeicherzugriff (DMA) DMA-Controller-Baustein Ein-/Ausgabeprozessor Ein-/Ausgaberechner Periphere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und Peripheriebusse IDE/ATA, ATAPI Serial ATA (SATA) SCSI-Bus Serial Attached SCSI (SAS) FireWire Fibre-Channel Universal Serial Bus IEC-Bus Hintergrundspeicher Floppy-Disk-Speicher 597

7 XIV Inhaltsverzeichnis Festplattenspeicher Solid-State-Disk und RAM-Disk Wechselplattenspeicher Optische Plattenspeicher Magnetooptische Plattenspeicher Magnetbandspeicher 614 Literatur 620 Akronyme 625 Sachverzeichnis 629