Mikroprozessortechnik

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1 Klaus Wüst Mikroprozessortechnik Grundlagen, Architekturen und Programmierung von Mikroprozessoren, MikroControllern und Signalprozessoren 2., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 190 Abbildungen und 59 Tabellen Studium Technik Vieweg

2 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Geschichtliche Entwicklung der Mikroprozessortechnik Stand und Entwicklungstempo der Mikroprozessortechnik Grundbestandteile eines Mikrorechnersystems Aufgaben und Testfragen 6 2 Informationseinheiten und Informationsdarstellung Bits, Tetraden, Bytes und Worte Die Interpretation von Bitmustern Zahlensysteme Die binäre Darstellung von Zahlen Vorzeichenlose ganze Zahlen Vorzeichenbehaftete ganze Zahlen (Zweierkomplement-Darstellung) Festkommazahlen Gleitkommazahlen Aufgaben und Testfragen 18 3 Halbleiterbauelemente Diskrete Halbleiterbauelemente Dotierte Halbleiter pn-übergang in einer Diode Bipolare Transistoren Feldeffekttransistoren Integrierte Schaltkreise (Integrated Circuits) Allgemeines Schaltkreisfamilien TTL-Bausteine CMOS-Bausteine Weitere Schaltkreisfamilien Logische Verknüpfungen und Logische Schaltglieder Aufgaben und Testfragen 34 4 Speicherbausteine Allgemeine Eigenschaften Read Only Memory (ROM) Masken-ROM (MROM) 38

3 VIII Inhaltsverzeichnis Programmable ROM (PROM) Erasable PROM (EPROM) EEPROM und Flash-Speicher Random Access Memory (RAM) Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Magnetoresistives RAM und Ferroelektrisches RAM Aufgaben und Testfragen 56 Ein- und Ausgabe Allgemeines Eingabeschaltung, Ausgabeschaltung Ein-/Ausgabe-Steuerung von Bausteinen und Geräten Aufbau von Bausteinen und Geräten mit Ein-/Ausgabe-Steuerung Fallbeispiel: Der programmierbare Ein-/Ausgabebaustein Aufgaben und Testfragen 63 Systembus und Adressverwaltung Busaufbau Warum ein Bus? Open-Collector-Ausgänge Tristate-Ausgänge Bustreiber Synchrone und asynchrone Busse Busdesign Busvergabe bei mehreren Busmastern Busanschluss und Adressverwaltung Allgemeines Adressdekodierung Ausrichtung Big-Endian- und Little-Endian-Byteordnung Speicherbezogene und isolierte E/A-Adressierung Aufgaben und Testfragen 81 Einfache Mikroprozessoren Die Ausführung des Maschinencodes Interner Aufbau eines Mikroprozessors Registersatz Steuerwerk Operationswerk (Rechenwerk) Adresswerk Systembus-Schnittstelle CISC-Architektur und Mikroprogrammierung RISC-Architektur Programmierung von Mikroprozessoren Maschinenbefehlssatz Maschinencode und Maschinenprogramme 101

4 Inhaltsverzeichnis IX Assemblersprache und Compiler Hardware-Software-Schnittstelle (Instruction Set Architecture) Reset und Boot-Vorgang Ergänzung: Hilfsschaltungen Taktgenerator Einschaltverzögerung Aufgaben und Testfragen Besondere Betriebsarten Interrupts (Unterbrechungen) Das Problem der asynchronen Service-Anforderungen Das Interruptkonzept Interrupt-Behandlungsroutinen Aufschaltung und Priorisierung von Interrupts Vektorisierung und Maskierung von Interrupts, Interrupt-Controller Ausnahmen (Exceptions) Direct Memory Access (DMA) Aufgaben und Testfragen Beispielarchitekturen Die CPU08 von Freescale Übersicht Der Registersatz Der Adressraum Die Adressierungsarten Der Befehlssatz Unterprogramme Reset und Interrupts Codebeispiele Die MSP430CPU von Texas Instruments Übersicht Der Registersatz Der Adressraum Die Adressierungsarten Der Befehlssatz Reset und Interrupts Unterstützung für die ALU: Der Hardware-Multiplizierer Codebeispiele Kurzer Architekturvergleich CPU08 - MSP430CPU Aufgaben und Testfragen Speicherverwaltung Virtueller Speicher und Paging Speichersegmentierung Caching Warum Caches? Strukturen und Organisationsformen von Caches 165

5 X Inhaltsverzeichnis Ersetzungsstrategien Aktualisierungsstrategien Fallstudie: Intel Pentium 4 (IA-32-Architektur) Privilegierungsstufen Speichersegmentierung, Selektoren und Deskriptoren Paging Kontrolle von E/A-Zugriffen Caches Der Aufbau des Maschinencodes Aufgaben und Testfragen Skalare und superskalare Architekturen Skalare Architekturen und Befehls-Pipelining Superskalare Architekturen Mehrfache parallele Hardwareeinheiten Ausführung in geänderter Reihenfolge Register-Umbenennung Pipeline-Länge, spekulative Ausführung VLIW-Prozessoren Doppelkern-Prozessoren Fallbeispiel: Intel Pentium und Core Architektur Die Entwicklung bis zu Pentium III und Athlon Pentium Die 64-Bit-Erweiterung Core-Architektur Fallbeispiel: IA-64 und Itanium-Prozessor Aufgaben und Testfragen Single Instruction Multiple Data (SIMD) Grundlagen Fallbeispiel: SIMD bei Intels IA-32-Architektur Die MMX-Einheit Die SSE-, SSE2-, SSE3-Befehle und Digital Media Boost (SSE4) Aufgaben und Testfragen Mikrocontroller Allgemeines Typische Baugruppen von MikroControllern Mikrocontrollerkern (Core) Busschnittstelle Programmspeicher Datenspeicher Ein-/Ausgabeschnittstellen (Input/Output-Ports) Zähler/Zeitgeber (Counter/Timer) Analoge Signale Interrupt-System Komponenten zur Datenübertragung 234

6 Inhaltsverzeichnis XI Bausteine für die Betriebssicherheit Stromspar-Betriebsarten Softwarentwicklung Das Einspielen des Programmes auf das Zielsystem Einschub: Die JTAG-Schnittstelle Programmtest Integrierte Entwicklungsumgebungen Fallbeispiel: Infineon C Kern Speicherorganisation und Busschnittstelle Kommunikationsschnittstellen Zeitgeber/Zähler-, Capture/Compare- und PWM-Einheiten Input/Output-Ports und Analog-Digital-Wandler Interruptsystem und PEC Oszillator, Energie-Management und Sicherheitseinrichtungen XC167CI Aufgaben und Testfragen Digitale Signalprozessoren Digitale Signalverarbeitung Architekturmerkmale Kern Peripherie Fallbeispiel: Die Motorola DSP56800-Familie Kern der DSP DSP-Peripherie am Beispiel des DSP56F Aufgaben und Testfragen 274 Lösungen zu den Aufgaben und Testfragen 275 Literaturverzeichnis 285 Sachwortverzeichnis 288