Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise eines Prozessors

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Imke Kästner
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1 Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise eines Prozessors [Technische Informatik Eine Einführung] Univ.- Lehrstuhl für Technische Informatik Institut für Informatik Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg 18. Oktober 2005

2 Schematic eines Rechners Schematic Hauptspeicher Bussystem

3 Schematic Hauptspeicher Bussystem Hauptspeicher (engl.: Random Access Memory, Abk.: RAM) Der Hauptspeicher erlaubt, Daten (Zwischenergebnisse, Prozessstatus, usw.) zwischenzeitlich abzuspeichern. Insbesondere ist das auszuführende Maschinenprogramm im Hauptspeicher abgespeichert. Der Hauptspeicher besteht aus n Speicherworten, wobei n 2 Adressbusbreite gilt; ist aus dynamischen Speicherzellen aufgebaut. Kerngrößen eines Hauptspeichers sind Anzahl der Speicherworte und Wortbreite in Bit Zugriffszeit, die heute im Bereich von wenigen Nanosekunden liegt [Stand Okt 2005] Bit, Byte Ein Bit ist die kleinste Informationsmenge, die in einem System mit genau zwei Werten, abgespeichert werden kann. Ein Byte besteht aus 8 Bit.

4 Bild von 12 Speichermodul-Slots Schematic Hauptspeicher Bussystem [Quelle: Sep 2005]

5 Schematic Hauptspeicher Bussystem Bussystem Ein Bussystem (oder vereinfacht: ein Bus) ist eine Ansammlung von Leitungen in einem Rechner, über die Befehle, Statusmeldungen und Daten zwischen unterschiedlichen Hardwarekomponenten, wie z. B. Prozessor und Hauptspeicher oder Hauptspeicher und Drucker, übertragen werden können. Jede Leitung erfüllt eine spezielle Aufgabe. So unterscheidet man bei parallelen Bussystem z. B. zwischen Daten- und Befehlsleitungen, Synchronisationsleitungen und Versorgungsleitungen. Die Hardware-Komponenten, auch Teilnehmer genannt, greifen auf diese Leitungen über eine normierte Schnittstelle zu. [später mehr]

6 Schematic Hauptspeicher Bussystem Schematic eines heutigen Bussystems in einem PC

7 Prozessor Schematic ohne Steuereinheit Schematic mit Steuereinheit Prozessor (engl.: Central Processing Unit, Abk.: CPU) Der Prozessor ist verantwortlich für die Ausführung der Maschinenprogramme. Der Prozessor besteht im Wesentlichen aus einer Steuereinheit (engl.: Control Unit), die durch Setzen geeigneter Signale alle übrigen Bestandteile des Prozessors steuert; einem Datenpfad (engl.: datapath), auch Recheneinheit (engl.: Arithmetic Logic Unit, Abk.: ALU) genannt, der gemäß den durch die Steuereinheit gesetzten Signale die arithmetischen und logischen Operationen auf den Daten ausführt. einer Registerbank, die gemäß den gesetzten Signalen den Datenpfad und die Steuereinheit ohne Wartezyklus mit Daten speist.

8 Prozessor Schematic ohne Steuereinheit Schematic mit Steuereinheit Registerbank Eine Registerbank (engl.: register file) besteht in der Regel aus bis zu 32 oder 64 Registern, die jeweils ein Datum im Prozessor zwischenspeichern können. Es gibt Register für verschiedene Zwecke, z. B. Befehlszähler (engl.: program counter, Abk.: PC) speichert die Adresse der Speicherzelle im Hauptspeicher, in der der nächste abzuarbeitende Machinenbefehl steht. Befehlsregister (engl.: instruction register, Abk.: IR) speichert den Maschinenbefehl, der gerade abgearbeitet wird. Stackpointer (Abk.: SP) zeigt auf die erste freie Stelle des Stapels. Der Stapel wird insbesondere im Rahmen der Abarbeitung von Unterprogrammen eingesetzt Arbeitsregister enthalten Zwischenergebnisse von Berechnungen. [später mehr]

9 Prozessor Schematic ohne Steuereinheit Schematic mit Steuereinheit Datenpfad Der Datenpfad (engl.: datapath, Arithmetic Logic Unit, Abk.: ALU) besteht im Wesentlichen aus kombinatorischen Schaltungen, die die wichtigsten arithmetischen und logischen Operationen, wie zum Beispiel, sub, mul und Vergleiche, ausführen können, Eingehende Signale eines Datenpfades: zwei Operanden Steuersignale, deren Belegung die auzuführende Operation auswählt. Ausgehende Signale eines Datenpfades: Ergebnis der Berechnung Statusleitungen, wie z. B. zero oder negative, die der Steuereinheit mitteilen, ob das Ergebnis gleich 0 oder kleiner als 0 ist. [später mehr]

10 Prozessor Schematic ohne Steuereinheit Schematic mit Steuereinheit Skizze des internen Aufbaus eines Prozessors

11 Skizze mit Steuereinheit Prozessor Schematic ohne Steuereinheit Schematic mit Steuereinheit

12 Prinzipielle Arbeitsweise eines Prozessors [Quelle: Prof. Dr. Dillmann, Universität Karlsruhe (TH)]

13 Prinzipielle Arbeitsweise eines Prozessors Zyklus [Fetch-Phase] Hole den nächsten Maschinensprachebefehl aus dem Hauptspeicher und speichere ihn in das Befehlsregister IR. Die zum Laden notwendige Adresse steht im Befehlszähler PC. [Decode-Phase] Analysiert den im IR stehenden Maschinenbefehl (und lese ggf. die Operanden aus der Registerbank). Die zur Analyse notwendigen Informationen sind im Wesentlichen im Operationscode (engl.: opcode) enthalten. [Execute-Phase] Führt den Maschinenbefehl aus (und speichert das Ergebnis ggf. in die Registerbank ab).

14 Rdest, Rsrc1, Rsrc2 immediate Aufbau des Maschinenbefehls Funktion Addiere den Inhalte der Register Rscr1 und Rsrc2. Speichere das Ergebnis im Register Rdest ab. Illustration

15 Rdest, Rsrc1, Rsrc2 immediate

16 immediate i Rdest, Rsrc1, Konstante Aufbau des Maschinenbefehls Funktion Addiere den Inhalt des Registers Rscr1 und die Konstante. Speichere das Ergebnis im Register Rdest ab. Illustration

17 immediate i Rdest, Rsrc1, Konstante Illustration

18 immediate i Rdest, Rsrc1, Konstante Illustration Die 16-Bit Konstante muss zu einer 32-Bit Konstante umgewandelt werden! Hierbei muss der Wert der Konstante unverändert bleiben.

19 immediate i Rdest, Rsrc1, Konstante Illustration Die 16-Bit Konstante muss zu einer 32-Bit Konstante umgewandelt werden! Hierbei muss der Wert der Konstante unverändert bleiben.

20 immediate i Rdest, Rsrc1, Konstante Illustration Jedes Signal darf höchstens von einem Baustein getrieben werden! Es sind Multiplexer an den kritischen Stellen einzusetzen, die durch das Steuerwerk angesteuert werden.

21 immediate i Rdest, Rsrc1, Konstante Illustration Jedes Signal darf höchstens von einem Baustein getrieben werden! Es sind Multiplexer an den kritischen Stellen einzusetzen, die durch das Steuerwerk angesteuert werden.

22 lw Rdest, Konstante(Rsrc1) immediate Aufbau des Maschinenbefehls Funktion Berechne die Hauptspeicher-Adresse Inhalt(Rscr1) + Konstante. Lese das im Hauptspeicher unter dieser Adresse abgelegte Wort. Speichere das Speicherwort in dem Register Rdest ab. Illustration

23 immediate lw Rdest, Konstante(Rsrc1) Illustration

24 sw Rsrc2, Konstante(Rsrc1) immediate Aufbau des Maschinenbefehls Funktion Berechne die Hauptspeicher-Adresse Inhalt(Rscr1) + Konstante. Speichere Inhalt(Rsrc2) unter dieser Adresse in den Hauptspeicher. Illustration

25 immediate sw Rsrc2, Konstante(Rscr1) Illustration

26 beq Rsrc1, Rsrc1, Konstante immediate Aufbau des Maschinenbefehls Funktion Vergleiche Inhalt(Rscr1) mit Inhalt(Rscr1). Wenn Gleichheit, dann springe zur Adresse (Inhalt(PC) + 4) + (4 Konstante). Illustration

27 immediate beq Rsrc1, Rsrc1, Konstante Illustration

28 immediate beq Rsrc1, Rsrc1, Konstante Illustration

Zur Geschichte von Luxemburg [http://www.ludgerusschule.

29 Zur Geschichte von Luxemburg [ 963: Erstmalige geschichtliche Erwähnung Luxemburg stellte drei Heilige Römische Kaiser: Heinrich VII, Karl IV, Wenzel II 1815: Nach Wiener Kongress selbstständiges Großherzogtum 1922: Zusammenschluss mit Belgien zu einer Wirtschafts- und Währungsunion 1948: Ratifizierung des BENELUX-Vertrages. Gründungsmitglied der UN, NATO, EU.

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