Teil 1: Prozessorstrukturen
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- Elsa Weiß
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1 Teil 1: Prozessorstrukturen Inhalt: Mikroprogrammierung Assemblerprogrammierung Motorola 6809: ein einfacher 8-Bit Mikroprozessor Mikrocontroller Koprozessoren CISC- und RISC-Prozessoren Intel Pentium 1 Was ist ein Koprozessor? ein weiterer Prozessor am Adress- und Datenbus einer CPU, der für bestimmte Aufgaben spezialisiert ist, z.b. Gleitkomma-Operationen Vektor-Operationen Grafik (2D/3D) kryptographische Verschlüsselung Speicherverwaltung Vorteile: problemangepaßte Architektur ermöglicht effizientere Implementierung von Spezialaufgaben als auf Standardprozessor Verminderung der Komplexität des Prozessorentwurfes CPU wird entlastet, da sie simultan andere Instruktionen ausführen kann für CPU wird weniger Chip-Fläche benötigt 2 1
2 Eigenschaften eines Koprozessors effiziente Ausführung spezieller Koprozessor-Befehle, die von CPU mitgeteilt werden eigene Koprozessor-Register (oft mit anderen Wortbreiten als CPU-Register, z.b.: 80 Bit für Gleitkomma, 256 Bit für Grafik) Koprozessor erhält Eingabedaten bzw. Parameter direkt von CPU oder liest sie aus dem Speicher Koprozessor stellt Ergebnis für CPU in Register bereit oder schreibt dieses in den Speicher CPU und Koprozessor können prinzipiell nebenläufig arbeiten Klassifikation nach Art der Kopplung an CPU: enge Kopplung (auch als Slave- oder Instruktions-Koprozessoren bezeichnet, z.b. bei Gleitkomma-Koprozessoren) lose Kopplung (auch als Funktions-Koprozessoren bezeichnet, z.b. bei Grafik-Koprozessoren) 3 Enge Kopplung von Koprozessor und CPU Instruktionssatz (ISA) der CPU wird für Koprozessor erweitert: reservierte Opcodes und neue mnemotechnische Bezeichner für alle Koprozessor-Befehle neue Register im Programmiermodell sichtbar i.a. bei allen Instruktionen die gleichen Adressierungsarten wie bei CPU Oft liegt in CPU eine universelle Koprozessorschnittstelle vor, mit der mehrere Koprozessoren für verschiedene Aufgaben an einer CPU betrieben werden können Zwei Arten zur Aktivierung eines Koprozessors: CPU erkennt Koprozessor-Befehl bei Dekodierung der nächsten Instruktion und aktiviert Koprozessor entweder über Signalleitungen oder Systembus Koprozessor liest auf Datenbus alle Instruktionen mit; er erkennt und dekodiert selbständig eine für ihn bestimmte Koprozessor-Instruktion erstmals bei Gleitkomma-Koprozessor Intel 8087 implementiert 4 2
3 Enge Kopplung (Forts.) Berechnung der effektiven Adresse eines Operanden sowie Adressierung des Speichers i.a. durch CPU; Operanden werden jedoch direkt von Koprozessor eingelesen Kommunikation mit CPU über spezielle Steuerleitungen oder über Register ( coprocessor interface register ): Emulation des Koprozessors durch Software möglich, falls im System nicht vorhanden (z.b. mittels Trap -Befehl) 5 Lose Kopplung von Koprozessor und CPU Koprozessor verfügt über einen eigenen Instruktionssatz, der funktions- und herstellerspezifisch ist Kommunikation zwischen CPU und Koprozessor ausschließlich durch Register, die über E/A-Bus angesprochen werden CPU-Programm schreibt Instruktion und Operanden (Daten oder Speicheradressen) in spezielle Register des Koprozessors Koprozessor besitzt eine eigene Speicherschnittstelle zum Lesen/Schreiben von Daten aus/in lokal berechnete Adressen Koprozessor informiert CPU von Fertigstellung (z.b. durch Bit im Statusregister oder Interrupt) CPU kann Ergebnis aus Register oder Speicher abholen, oft jedoch nicht erforderlich (z.b. bei Grafik-Koprozessoren) kaum Unterschied zu Controller 6 3
4 Beispiel: Motorola 68881/68882 populärer Mathematik-Coprozessor (1985) für IEEE Gleitkommaberechnungen sowie trigonometrische Funktionen: 8 Gleitkommaregister FP0-FP7 (80 Bit) zur Speicherung von 32-Bit IEEE, 64-Bit IEEE oder 80-Bit ( extended precision ) Gleitkommazahlen Statusregister FPSR (enthält Informationen über Fehler, z.b. NaN, Underflow) Kontrollregister FPCR (zur Maskierung von Interrupts bei Fehlern) Adreßregister FPIAR (zeigt auf letzte ausgeführte Koprozessor-Instruktion) 21 Gleitkommakonstanten 46 Instruktionen (mit Suffix.S,.D,.X für 32-, 64- bzw. 80-Bit Zahlen): Datentransporte, z.b.: FMOVE.S <EA>,FPn oder FMOVE.D FPn,<EA> Retten/Zurückholen von FP0 bis FP7, z.b.: FMOVEM FP0-FP7,<EA> einstellige mathematische Funktionen, z.b.: FSIN.D FP3 zweistellige Gleitkomma-Operationen, z.b.: FMUL.S FP1,FP2 bedingte Verzweigungen in Abhängigkeit von FPSR Bits, z.b.: FBEQ loop Ausnahmebehandlungen, z.b.: FTRAP NaN 7 Beispiel: Motorola 68881/68882 (Forts.) Kooperation mit einer Motorola 680x0 CPU: CPU hat integrierte Koprozessorschnittstelle (seit 68020): Kommunikation nur über Systembus (d.h. keine speziellen Leitungen!) Ansteuerung von max. 8 Koprozessoren über Angabe einer 3-Bit CPID ( Coprocessor Identification ) spezielle Kommunikationsregister ( Communication Interface Registers, CIR) im Koprozessor von CPU über Adreßbus (enthält CPID) und Function Code - Leitungen schreib- und lesbar CPU erkennt Instruktion für Koprozessor (CP) am Bitmuster 1111 in Bit 15 bis 12 des Opcode: das folgende16-bit Befehlswort enthält die eigentliche CP-Instruktion (mit Angabe der CP-Register von Operanden); weitere Erweiterungsworte enthalten z.b. Offsets zur Berechnung der effektiven Adresse 8 4
5 Beispiel: Motorola 68881/68882 (Forts.) Kommunikation mit einer Motorola 680x0 CPU: Communication Interface Registers (CIR) (einheitlich für alle 680x0 Koprozessoren!): 16-Bit Register command erthält von die CPU die CP-Instruktion 32-Bit Register operand nimmt Operanden von CPU auf über das 16-Bit Register response kann CP mittels bestimmter Antwortprimitive einige Funktionen der CPU anfordern! allgemeines Format der Antwortprimitive: Flag CA ( Come Again ) gibt an, daß weitere Funktionsanforderungen folgen Flag PC gibt an, daß Inhalt des PC im Reg. instruction address erwartet wird Das Feld function legt z.b. fest, welche Daten von CPU transferiert werden sollen oder ob die CPU eine effektive Adresse berechnen soll 9 Beispiel: Motorola 68881/68882 (Forts.) Ablauf eines Dialogs bei Instruktion FADD.S 100(A4),FP2 : 10 5
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