Prof. Dr. Sven-Hendrik Voß Sommersemester 2017 Technische Informatik (Bachelor), Semester 2 Termin 1, Maschinenorientierte Programmierung

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1 Prof. Dr. Sven-Hendrik Voß Sommersemester 2017 Technische Informatik (Bachelor), Semester 2 Termin 1, Maschinenorientierte Programmierung

2 Seite 2 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Inhaltsverzeichnis Einstieg Organisatorisches Prüfungsmodalitäten Themen und Termine Literaturhinweise Lernziele Einführung Schema eines einfachen Rechners Architekturrealisierungen Adressraum Zusammenfassung

3 Seite 3 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Einstieg Ihr Dozent Mentor für Erstsemestler Laborleiter für das Digitallabor Beauftragter für die Praxisphase Ansprechpartner für Praktikumsplätze, Seminar-und/oder Abschlussarbeiten (großes Kontaktnetzwerk) Kontakt Sprechzeiten mittwochs von 10:00-11:30 Uhr mit Voranmeldung Haus Gauß, Raum B 343 Mail: svoss@beuth-hochschule.de Tel: / Mobil: Homepage

4 Seite 4 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Organisatorisches Lehrveranstaltung Maschinenorientierte Programmierung (MOP) besteht aus Seminaristischem Unterricht (SU, 2 SWS wöchentlich) Laborübungen (UE, 4 SWS 14-tägig in 2 Gruppen, Start ) Durchgeführt wird die Veranstaltung MOP dieses Semester in zwei Zügen Benotung für erfolgreiche Bearbeitung und Vorführung der Laboraufgaben werden Testate vergeben bei der abschließenden Klausur können maximal 100 Punkte erreicht werden

5 Seite 5 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Prüfungsmodalitäten Voraussetzungen zur Teilnahme an Klausur Klausurteilnahme nur nach erfolgreich absolvierten Laborübungen Anerkennung einer früheren Laborteilnahme durch Vorlage der Studiendokumentation Anwesenheit bei allen Laborterminen ist Pflicht Nachklausur nur, wenn vorher nicht teilgenommen oder nicht bestanden zum Bestehen der Lehrveranstaltung sind mind. 50 Punkte erforderlich Zulässige Hilfsmittel Skripte und Infoblätter zur Lehrveranstaltung eigene Mitschriften eigene und selbstständig angefertigte Lösungen der Laboraufgaben

6 Seite 6 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Inhalt der Veranstaltung Was erwartet Sie? Frage in die Runde... Inhalt? assoziierte Themengebiete? Stichwörter? Vorkenntnisse? Voraussetzung: Kenntnis der Lehrveranstaltungsinhalte Programmieren I und Grundlagen Digitaler Systeme

7 Seite 7 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Themen und Termine - Seminaristischer Unterricht Seminaristischer Unterricht (SU): Zug 1 im Raum B-401, montags 10:00-11:30 Uhr, Zug 2 im Raum B-321, montags 12:15-13:45 Uhr Termin Datum Themen Organisatorisches, Einführung Rechnerarchitekturen Ostermontag Organisationsprinzipien und Adressierung Tag der Arbeit Programmiermodell des 8051 Mikrocontrollers Assemblersyntax des Assemblersyntax und Betriebsmodi des I/O Port-Programmierung, Umgang mit Instruktionen und Programme Pfingstmontag Interrupt-Programmierung Timer- und Counter-Programmierung Aufbau und Programmierung von seriellen Kommunikationsschnittstellen Benutzung der seriellen Schnittstelle, Timer, Interrupts Praxisbeispiele Klausur Klausurrückgabe und Besprechung

8 Seite 8 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Themen und Termine - Laborübung Laborübung(UE): Zug 1 dienstags 10:00-13:00 Uhr (180 Minuten) im Raum B-341 in Gruppen A und B (wöchentlicher Wechsel) Nr. Datum Themen / Einführung; Programmierung in Pseudocode / Umgang mit Assembler-Befehlen; Programmanalyse / Adressierungsarten, Verzögerungsschleifen, Funktionsaufrufe / I/O Operationen, Zählerimplementierung, 7-Segment-Anzeige / Stack, Lookup-Tables, Timer, Interrupts

9 Seite 9 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Themen und Termine - Laborübung Zug 2 montags 14:15-15:45 Uhr (90 Minuten) im Raum B-341 in einer Gruppe (wöchentlich) Nr. Datum Themen / Einführung; Programmierung in Pseudocode / Umgang mit Assembler-Befehlen; Programmanalyse / Adressierungsarten, Verzögerungsschleifen, Funktionsaufrufe / I/O Operationen, Zählerimplementierung, 7-Segment-Anzeige / Stack, Lookup-Tables, Timer, Interrupts Insgesamt müssen 5 Laborübungen gelöst werden. Voraussetzung: gute Vorbereitung (2-4 Std. pro Laborübung) Beachten: eingeplante Selbstlernzeit im Fach Maschinenorientierte Programmierung 78 h (siehe Modulhandbuch) Selbststudium, Vorund Nachbereitung Aufgabenblätter werden jeweils vorab zur Verfügung gestellt. Achtung: Anwesenheit bei allen Laborterminen ist Pflicht!

10 Seite 10 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Laborplattform Single-Board Entwicklungssystem für 8051 Mikrocontroller-Familie STC 8051 Professional Kit

11 Seite 11 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Literaturhinweise Skripte, Infomaterialen Prof. Dr. Sven-Hendrik Voß: Maschinenorientierte Programmierung (Skript) Prof. Dr. Sven-Hendrik Voß: Vorlesungsfolien Empfohlene Fachbücher Klaus Wüst: Mikroprozessortechnik, Vieweg und Teubner, ISBN Jürgen Walter: Mikrocomputertechnik mit der 8051-Controller-Familie, Springer, ISBN X Uwe Brinkschulte: Mikrocontroller und Mikroprozessoren, Springer, ISBN Helmut Malz: Rechnerarchitektur, Vieweg und Teubner, ISBN Klaus Beuth: Digitaltechnik, Vogel Buchverlag, ISBN Andrew S. Tanenbaum: Computerarchitektur, Pearson, ISBN Online svoss

12 Seite 12 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Lernziele Nach diesem Termin sollten Sie... die grundsätzliche Organisation eines Rechners verstanden haben die Rolle des Befehlssatzes verstanden haben die Bestandteile eines von-neumann-rechners kennen eine Harvard- von einer von-neumann-architektur unterscheiden können das Prinzip des Adressraums verstanden haben

13 Seite 13 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Einführung Rechnerarchitektur Design und Organisation eines Rechners; bestimmt externen und internen Aufbau Externe Architektur Maschinenbefehlssatz Interne Architektur innerer Hardwareaufbau eines Rechners Universalprozessoren für alle Anwendungen von einfachem Assembler- / C-Programm bis zum Compiler, Betriebssystem, Datenbank, Textverarbeitung Software Befehlssatz Hardware Universalprozessor externe Architektur interne Architektur

14 Seite 14 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Einführung Gesteuert wird die Hardware mit einem Programm in... einer höheren Programmiersprache Assembler Maschinensprache Schlüsselrolle des Befehlssatzes Maschinenbefehle als Elementaroperationen zur Verfügung gestellt Effiziente Unterstützung aller Anwendungen vom C-Programm bis zur Datenbank gefordert Nadelöhr? Erfolgreiche externe Architektur bindet Software-Entwicklung über Jahrzehnte c := a + b LAC a ADD b SAC c Befehlssatz Hardware Software externe Architektur interne Architektur

15 Seite 15 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Einführung Interne Architektur: Bestandteile Prozessor Operationswerk Steuerwerk Speicher Ein- / Ausgabe CPU (Central Processing Unit)

16 Seite 16 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Einführung Interne Architektur: Bestandteile CPU (Central Processing Unit) führt die Befehle aus, die im Speicher gespeichert sind E/A (Eingabe / Ausgabe) Geräte bieten die Möglichkeit mit der CPU zu kommunizieren Speicher RAM (Random Acces Memory) - temporäre Speicherung von Daten flüchtiger Speicher ROM (Read Only Memory) - für Programme und statische Tabellen nicht-flüchtiger Speicher)

17 Seite 17 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Schema eines einfachen Rechners Abkürzungen: BR BR C BR A ST BZ AR SR AK Befehlsregister Codeteil von BR Adressteil von BR Register für Steuerbits Befehlszähler Adressregister Speicherregister Akkumulator

18 Seite 18 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Architekturrealisierungen Mehrere Möglichkeiten einen Rechner aufzubauen in der Praxis haben sich zwei Architekturen durchgesetzt Unterscheidung hinsichtlich Prinzip wie Daten (Variablen) und Code (Programme) angesprochen werden Möglichkeit diese beiden zu trennen oder zusammenzulegen es gibt Vor- und Nachteile

19 Seite 19 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Architekturrealisierungen von Neumann-Architektur Adressen Prozessor Daten, Befehle Speicher Harvard-Architektur Datenspeicher Programmspeicher Adressen Befehle Prozessor Adressen Daten

20 Seite 20 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Architekturrealisierungen von Neumann-Architektur Harvard-Architektur

21 Seite 21 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Architekturrealisierungen von Neumann-Architektur Gemeinsamer Programm- und Datenspeicher (gemeinsame Busse) keine Unterscheidung zwischen Code- und Datenbereichen benannt nach dem Mathematiker John v. Neumann Vertreter: Freescale 68HC08-Familie und Intel x86-familie Harvard-Architektur Getrennter Programm- und Datenspeicher (getrennte Busse) auf Daten- und Programmspeicher kann gleichzeitig zugegriffen werden Code im Datenspeicher kann nicht ausgeführt werden benannt nach der Harvard-Universität (Cambridge, Massachusetts) Vetreter: Atmel AVR-Plattform und die meisten DSPs

22 Seite 22 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Architekturrealisierungen von Neumann-Architektur vs. Harvard-Architektur Begriffe bezeichnen allgemeine Architekturkonzepte, die sich darin unterscheiden, wieviele Speicheradressräume bzw. Speicherzugriffswege grundsätzlich vorgesehen sind Unterscheidung anhand getrennter oder gemeinsamer Busse in der Praxis schwierig Beide Architekturen haben einige wesentliche Prinzipen gemeinsam: es gibt einen einzigen Befehlsstrom, wobei Befehl für Befehl nacheinander ausgeführt wird Befehlsadressierung erfolgt vorzugsweise durch Weiterzählen der Befehlsadresse (Ausnahmen davon sind Verzweigungen, Unterprogrammrufe, Unterbrechungen usw.)

23 Seite 23 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Adressraum Adressraum ist die Abstraktion des physikalischen Speichers zusammenhängende Menge von Adressen plus deren Inhalte maximale Größe definiert durch die Breite des Adressbusses umfasst Bereiche für Daten, Programmcode (und Peripherie) Bezug zu von Neumann-Architektur vs. Harvard-Architektur Adressräume jeweils von zugrundegelegtem Konzept abhängig

24 Seite 24 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Zusammenfassung Heute haben Sie gelernt... was eine Rechnerarchitektur ist welche zentrale Rolle ein Befehlssatz einnimmt aus welchen Bestandteilen eine interne Archiktur besteht was der Unterschied ist zwischen von Neumann und Harvard wie der Adressraum bei Harvard und von-neumann verwaltet wird und welche Auswirkungen dies auf die praktische Benutzung hat

25 Seite 25 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Ausblick auf nächste Stunde In der nächsten Stunde widmen wir uns... unterschiedlichen Befehlssatz-Architekturen (externen Architekturen) der Befehlsausführung den verschiedenen Adressierungsarten den Grundlagen zum Arbeiten mit und in Assembler

26 Seite 26 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Hinweise zum Selbststudium Zum Vertiefung wird empfohlen... MOP-Skript Helmut Malz: Rechnerarchitektur, Vieweg und Teubner, ISBN

27 Seite 27 Organisatorisches, Rechnerarchitekturen Maschinenorientierte Programmierung Sommersemester 2017 Kritik Nun sind Sie dran: Kritik: Was funktioniert gut / was schlecht? Anregungen Wünsche Verbesserungsvorschläge in Bezug auf Inhalt und Organisation der Vorlesung