Rechnerorganisation. IKS 2016 H.-D. Wuttke, K. Henke

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1 Rechnerorganisation Mathematische Grundlagen (1) Boolesche Algebren: BMA, BAA (2,3) Kombinatorische Schaltungen (4,5) Automaten (6,7) Sequentielle Schaltungen (8) Programmierbare Strukturen (9) Rechneraufbau und ~funktion (10,11) Informationskodierung (12,13,14) H.-D. Wuttke, K. Henke

2 Rechneraufbau und ~funktion Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems Einführung in die 8086-Architektur Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers CPU-Architektur und Registerstruktur Universalregister Index- und Pointerregister Flags Segmentregister Segment-Speichermodel Grundlegende Befehle Adressierungsarten H.-D. Wuttke, K. Henke

3 Rechneraufbau und ~funktion Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems Einführung in die 8086-Architektur Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers CPU-Architektur und Registerstruktur Universalregister Index- und Pointerregister Flags Segmentregister Segment-Speichermodel Grundlegende Befehle Adressierungsarten H.-D. Wuttke, K. Henke

4 CPU (Central Processor Unit) Begriffe Rechenwerk (ALU) mit Registern + Steuerwerk Mikroprozessor CPU + Bus (Schnittstellen) Kernstück heutiger Computer allein nicht einsatzfähig Mikrocomputer (Mikrorechner) enthält einen Mikroprozessor, der über den Systembus mit Speicher, E/A- Bausteinen (Peripherie) verbunden ist Spezialfälle: Ein-Chip-Mikrorechner (EMR) alle Komponenten befinden sich auf einem Chip Ein-Platinen-Mikrocomputer alle Komponenten befinden sich auf einer Platine H.-D. Wuttke, K. Henke

5 Mikrocontroller Begriffe enthalten gegenüber Mikroprozessoren zusätzliche Elemente, (z.b. Timer, A/D-Wandler, UART, SPI/I2C-Controller) werden meist in Eingebetteten Systemen (embedded systems) eingesetzt, d.h. keine direkte Steuerung durch den Nutzer begrenzter Arbeitsspeicher, meist keine Massenspeicher Digitaler Signalprozessor (DSP) spezielle Prozessoren für spezielle Anwendungen Rechner enthalten heute meist mehrere Signalprozessoren (z.b. für Netzwerkanbindung) Weitere Spezialprozessoren (Auswahl): Numerische Co-Prozessoren Grafikcontroller DMA-Controller I/O-Prozessoren Interruptcontroller H.-D. Wuttke, K. Henke

6 Ein-Platinen-Computer: PC104-Serie MOPSlcd7 der Firma Contron Low-Power Pentium III 700 MHz 32MByte Video-RAM 512 MByte SDRAM Anschlüsse: - 2 x USB, -2 x COM, -LPT, - FDD, -EIDE, - Keyboard - PS/2-Mouse H.-D. Wuttke, K. Henke

7 Ein-Platinen-Computer: Card-PC Card-PC s der Firma Epson H.-D. Wuttke, K. Henke

8 Ein-Platinen-Computer: Card-PC CARD-486DX4 der Firma Epson CPU: Intel 80486DX4 Clock speed: 40/75/100 MHz RAM: 4/8/16/32 MB BIOS FLASH: 256 KB VRAM: 512KB H.-D. Wuttke, K. Henke

9 Ein-Platinen-Computer: Card-PC CARD-E09A (Epson) H.-D. Wuttke, K. Henke

10 Ein-Platinen-Computer: VIA H.-D. Wuttke, K. Henke

11 Ein-Platinen-Computer: VIA H.-D. Wuttke, K. Henke

12 Ein-Platinen-Computer: VIA H.-D. Wuttke, K. Henke

13 Mini-PC Arduino ATmega digitale Ein / Ausgänge (6 davon können als PWM Kanäle genutzt werden), 6 analoge Eingänge, ein 16 MHz Quartz, USB Schnittstelle, einen 6 poligen ISP Anschluss und einen Reset Taster; einfache Verb. über USB Kabel mit dem PC ; Betrieb mit n Netzteil oder Akku betreiben. Raspberry Pi 2 (B) Quadcore CPU, 1 GB Ram HDMI, USB, LAN, Audio, Quad Core ARM Cortex A7 Prozessor mit 900 MHz und integrierter Grafikeinheit; 4 USB Anschlüsse; Kamera und Displayinterface H.-D. Wuttke, K. Henke

14 Rechneraufbau und ~funktion Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers Einführung in die 8086-Architektur CPU-Architektur und Registerstruktur Universalregister Index- und Pointerregister Flags Segmentregister Segment-Speichermodel Grundlegende Befehle Adressierungsarten H.-D. Wuttke, K. Henke

15 Schichtenmodell eines Rechnersystems Anwendungsprogramme H.-D. Wuttke, K. Henke

16 Schichtenmodell eines Rechnersystems Anwendungsprogramme Höhere Programmiersprachen H.-D. Wuttke, K. Henke

17 Schichtenmodell eines Rechnersystems Anwendungsprogramme Höhere Programmiersprachen Assemblersprachen, Maschinencode H.-D. Wuttke, K. Henke

18 Schichtenmodell eines Rechnersystems Anwendungsprogramme Höhere Programmiersprachen Assemblersprachen, Maschinencode Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung H.-D. Wuttke, K. Henke

19 Schichtenmodell eines Rechnersystems Anwendungsprogramme Höhere Programmiersprachen Assemblersprachen, Maschinencode Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung Funktionseinheiten (ALU, Speicher,...) H.-D. Wuttke, K. Henke

20 Schichtenmodell eines Rechnersystems Anwendungsprogramme Höhere Programmiersprachen Assemblersprachen, Maschinencode Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung Funktionseinheiten (ALU, Speicher,...) Logik-Gatter H.-D. Wuttke, K. Henke

21 Schichtenmodell eines Rechnersystems Anwendungsprogramme Höhere Programmiersprachen Assemblersprachen, Maschinencode Mikroprogrammierte/festverdrahtete Steuerung Funktionseinheiten (ALU, Speicher,...) Logik-Gatter Transistoren und Verbindungen H.-D. Wuttke, K. Henke

22 Rechneraufbau und ~funktion Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers Einführung in die 8086-Architektur CPU-Architektur und Registerstruktur Universalregister Index- und Pointerregister Flags Segmentregister Segment-Speichermodel Grundlegende Befehle Adressierungsarten H.-D. Wuttke, K. Henke

23 Aufbau eines Universalrechners Eingabe Tastatur, Maus, Scanner Verarbeitung CPU ALU Ausgabe Monitor, Drucker CU Haupt- Speicher Externer Speicher HD, CD, DVD, USB-Stick H.-D. Wuttke, K. Henke

24 Aufbau eines Universalrechners CPU ROM RAM DMA Datenbus Adressbus Steuerbus Schnittstelle Systembus I/O - Gerät H.-D. Wuttke, K. Henke

25 Grundlegende Rechnerarchitekturen von Neumann-Architektur 1. Rechner besteht aus 4 Werken: Arithmetische Recheneinheit (ALU), Steuereinheit (CU), Arbeitsspeicher, Ein-/Ausgabeeinheiten, alle Daten sind binär codiert 2. Rechnerarchitektur keine Funktion der Problemstruktur - neues Problem - neues Programm! 3. gemeinsamer Speicher für Daten UND Programm 4. Hauptspeicher: fortlaufend nummerierte Speicherzellen gleicher Größe, Speicherzellinhalt: unstrukturierte Bitketten 5. Programm: Folge von Befehlen aus dem Befehlssatz des Rechners; Prinzip der Sequentialität 6. Von der sequentiellen Abarbeitung kann durch Sprungbefehle abgewichen werden. Vorteile: - hohe Transparenz der Abarbeitung - Befehle und Daten manipulierbar - gut für Entwicklungssysteme - dominierende Architektur für min. Hardwareaufwand H.-D. Wuttke, K. Henke Nachteile: - unstrukturierte Speicherzellinhalte - nur sequentieller Zugriff auf Programm und Daten - einheitliche Speicherwortlänge - geringe HW-Effektivität - von Neumann - Flaschenhals

26 Grundlegende Rechnerarchitekturen Havard-Architektur Nachteile der v.neumann-architektur führten zur Entwicklung der Havard-Architektur mit den wesentlichen Merkmalen: 1. Daten und Befehle in getrennten Arbeitsspeichern 2. getrennter Befehls- und Datenbus Vorteile: parallele Bereitstellung von Daten und Befehlen Verkürzung der Befehlsabarbeitungszeit (während Befehlsabarbeitung kann nächster Befehl geholt werden) Optimierung der Daten- und Befehlswortlängen möglich Nachteile: höherer Hardwareaufwand Programme während Abarbeitung nicht manipulierbar Anwendungen: Einchiprechner, Mikrorechner internes Konzept moderner Prozessoren (getrennte Cache-Speicher) erster Vertreter: Mark I von Aiken (1944) H.-D. Wuttke, K. Henke

27 Grundlegende Rechnerarchitekturen H.-D. Wuttke, K. Henke

28 Grundlegende Rechnerarchitekturen H.-D. Wuttke, K. Henke

29 Rechneraufbau und ~funktion Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers Einführung in die 8086-Architektur CPU-Architektur und Registerstruktur Universalregister Index- und Pointerregister Flags Segmentregister Segment-Speichermodel Grundlegende Befehle Adressierungsarten H.-D. Wuttke, K. Henke

30 Intel x86 Generationen Lesetipp: c t 13/2003 S.90, 92, Jahre Intel Prozessoren Quelle: c`t 13/2003/90 ff H.-D. Wuttke, K. Henke

31 Intel x86 Generationen Quelle: c`t 13/2003/90 ff H.-D. Wuttke, K. Henke

32 Intel x86 Generationen Intel 80486DX2 (66 Mhz) typisches System zu der Zeit: 120-MB- Festplatte, 4 MB Hauptspeicher, VGA- Grafikkarte; Betriebssystem MS-DOS 5.0 mit Windows 3.1 als grafische Benutzeroberfläche. Einführung 1989, Markt dominierend nm, 1,2 Mill. Transistoren, arbeitete ohne Kühlung, H.-D. Wuttke, K. Henke

33 Intel x86 Generationen H.-D. Wuttke, K. Henke

34 Intel x86 Generationen Layout eines Intel P III Cache 2 - Kommunikation 3 - ALU 4 - Cache 5 - Befehlsqueue Datenqueue , MHz Takt, nm Technologie Quelle: Spektrum der Wissenschaft Dossier Rechnerarchitekturen 4/2000 H.-D. Wuttke, K. Henke

35 Intel x86 Generationen H.-D. Wuttke, K. Henke

36 Intel x86 Generationen H.-D. Wuttke, K. Henke

37 Intel x86 Generationen H.-D. Wuttke, K. Henke

38 Intel x86 Generationen H.-D. Wuttke, K. Henke

39 Intel x86 Generationen Intel Skylake (8/2015) 14nm Prozess Unterstützung für DDR3 und DDR4-RAM Sockel verfügbare Varianten! Verbesserungen vor allem im Grafik-bereich 1152 Gflops für bis zu 3 4k-Displays 4,5 bis 91W Verlustleistung 2/4 Kerne 2/3/4/6/8 MB Cache USB 3.1 Unter-stützung (Z170) Quelle: Intel H.-D. Wuttke, K. Henke

40 Intel x86 Generationen Intel Kaby Lake (3.Q/2016) 14nm - Technologie H.-D. Wuttke, K. Henke

41 Direkt verwaltbare Adressräume Adresslänge (bit) Mögliche Speichergröße Beispiel kbyte Z MByte MByte 80286, Motorola 6800, GByte 80386, Sparc-Proz., Motorola GByte mögl. Mode bei Pentium Pro 40 1 TByte alle 64 Bit Prozessoren TByte noch nicht üblich H.-D. Wuttke, K. Henke

42 8086-Architektur 1978 bis 1990er Quelle: Wikipedia H.-D. Wuttke, K. Henke

43 8086 H.-D. Wuttke, K. Henke

44 8086-Architektur H.-D. Wuttke, K. Henke

45 Rechneraufbau und ~funktion Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers Einführung in die 8086-Architektur CPU-Architektur und Registerstruktur Universalregister Index- und Pointerregister Flags Segmentregister Segment-Speichermodel Grundlegende Befehle Adressierungsarten H.-D. Wuttke, K. Henke

46 CPU-Architektur - ALU H.-D. Wuttke, K. Henke

47 CPU-Architektur - ALU H.-D. Wuttke, K. Henke

48 CPU-Architektur - Steuerwerk H.-D. Wuttke, K. Henke

49 CPU-Architektur - Steuerwerk H.-D. Wuttke, K. Henke

50 CPU-Architektur - Steuerwerk 1 Befehl aus Speicher holen 2 Befehl dekodieren 3 Befehl komplett? nein Lesen der weiteren Bytes des Befehls ja 4 Befehlsausführung Bereitstellung der Operanden Verarbeiten in der ALU Ergebnisse abspeichern H.-D. Wuttke, K. Henke

51 CPU-Architektur - Steuerwerk Aufbau eines Maschinenbefehls (8086) Byte 1 Byte 6 Code Adr-Mode Disp-low Disp-high data-low data-high 6 Bit Bit 3 Bit 3 Bit Disp = Displacement Op-Code d w MD REG R/M Register od. Speicher Register Adressmodus Länge Byte/Wort Richtung Befehlscode H.-D. Wuttke, K. Henke

52 CPU-Architektur - Steuerwerk Beispiele für unterschiedlich lange Befehle CLC F8 H MOV AL,12H B0 12 H MOV AX,1234H B H MOV [0003H],12H C H MOV [0003H],1234H C H Little Endian Kodierung: das Byte, welches das LSB enthält, wird zuerst abgespeichert H.-D. Wuttke, K. Henke

53 Rechneraufbau und ~funktion Begriffe, Schichtenmodell eines Rechnersystems Grundsätzlicher Aufbau eines Mikrocomputers Einführung in die 8086-Architektur CPU-Architektur und Registerstruktur Universalregister Index- und Pointerregister Flags Segmentregister Segment-Speichermodel Grundlegende Befehle Adressierungsarten H.-D. Wuttke, K. Henke

54 CPU-Architektur - Registersatz 8086 H.-D. Wuttke, K. Henke

55 CPU-Architektur Registersatz Allgemeine Datenregister 2. Indexregister 3. Zeigerregister 4. Befehlszeiger und Flags 5. Segmentregister H.-D. Wuttke, K. Henke

56 CPU-Architektur Registersatz 8086 Vielzweckregister AX BX CX DX AH AL BH BL CH CL DH DL BP SI DI SP Segmentregister 15 0 CS DS SS ES EAX EBX ECX EDX EBP ESI EDI ESP 31 Vielzweckregister 15 7 AH BH CH AL BL CL DH DL BP SI DI SP 0 Segmentregister 15 CS DS SS ES FS GS IP EIP IP Befehlszähler Flags E-Flags Flags Flag-Register bis ab H.-D. Wuttke, K. Henke

57 Das war s für dieses Jahr Ich wünsche Ihnen allen ein erholsames, friedliches Weihnachtsfest und einen guten Start im Jahr 2017 H.-D. Wuttke, K. Henke

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