Die Mikroprogrammebene eines Rechners

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1 Die Mikroprogrammebene eines Rechners Das Abarbeiten eines Arbeitszyklus eines einzelnen Befehls besteht selbst wieder aus verschiedenen Schritten, z.b. Befehl holen Befehl dekodieren Operanden holen etc. Diese einzelnen Schritte werden durch das Mikroprogramm gesteuert. 8b. 1

2 CISC vs. RISC Es gibt zwei unterschiedliche Rechnerarchitektur Typen: CISC (Complex Instructions Set Computers): Ein Befehl auf Maschinenebene wird durch mehrere Befehle auf der Mikroprogrammebene dargestellt. Dadurch stellen Maschinen Befehle kleine "Programme" dar, die z.b. Schleifen enthalten können. Es sind komfortable Befehle möglich. RISC (Reduced Instructions Set Computers): Ein Befehl auf Maschinenebene entspricht direkt einem Befehl der Mikroprogrammebene. Dadurch sind weniger komfortable Befehle möglich, diese werden aber sehr schnell abgearbeitet. 8b. 2

3 Typische Bestandteile einer CPU Ein Satz von Registern (typisch: ca Stück), die Zwischenergebnisse speichern und als Operanden verwendet werden können. Mindestens ein einzelnes ausgezeichnetes Register, das als ein Operand und Ziel des Ergebnisses benutzt wird (genannt Akkumulator). Auch möglich: Speichern des Ergebnisses in ein beliebiges Register. Eine Arithmetisch Logische Einheit (ALU) berechnet logische Operationen (AND, XOR etc.) und arithmetische Operationen (Addition, Subtraktion, eventuell Multiplikation, Division). 8b. 3

4 ALU: Beispiel 4 Bit ALU (Bemerkung: ist ein eigener ALU Baustein. Üblicherweise sind ALUs innerhalb der CPU integriert) Logischen Funktionen: Bitweise AND, OR, XOR, Invertieren etc. Arithmetische Funktionen: Addition Subtraktion 8b. 4

5 ALU: Beispiel 4 Bit ALU Carry Eingang, Carry Ausgang. Mehrere ALUs können hintereinandergeschaltet werden, um größere Bitbreiten zu realisieren Über 5 Eingänge (S0...S3, M) wird die Funktion selektiert Nicht alle 32 möglichen Funktionen haben eine unmittelbare Bedeutung z.b. (1, 0, 1, 0, 1) bedeutet (A UND B) PLUS (A ODER B) PLUS Carry 8b. 5

6 ALU: Beispiel 4 Bit ALU b. 6

7 Typische Bestandteile einer CPU (Fortsetzung) Eine Schiebeeinheit (Shifter) führt rechts, links Schieben, arithmetisches Schieben und Rotieren durch. links rotieren links logisch rechts arithmetisch rechts rotieren rechts Die Schiebefunktionen werden oft auch der ALU zugerechnet und nicht durch eine eigene Komponente realisiert.... 8b. 7

8 Typische Bestandteile einer CPU Ein Satz von Flags gibt über den Status einer Berechnung Auskunft: Carry: es ist ein Übertrag entstanden Overflow: es ist ein Überlauf entstanden Zero: es ist eine 0 entstanden (bzw. Gleichheit beim Vergleich) Negativ: es ist eine negative Zahl entstanden (bzw. kleiner Bedingung beim Vergleich) 8b. 8

9 Zusammenspiel zwischen ALU, Registern und Flags 8b. 9

10 Typische Bestandteile einer CPU (Fortsetzung) TECHNISCHE HOCHSCHULE NÜRNBERG Ein Register, das auf den nächsten Maschinen Befehl im Speicher zeigt (Instruction Pointer, IP oder Program Counter, PC). Ein Register, das (z.b. für Unterprogrammaufrufe) auf die oberste Adresse eines Stapels zeigt (Stack Pointer, SP). 8b. 10

11 Weitere Komponenten einer CPU Ein Satz von Registern ist für die Kommunikation mit dem Hauptspeicher notwendig: ein Register hält die Speicheradresse (Memory Address Register, MAR), ein weiteres Register speichert den Inhalt zum Schreiben und Lesen (Memory Buffer Register, MBR). Ein Steuerwerk wertet die Maschinen Befehle aus und steuert die Datenflüsse zwischen den einzelnen Komponenten in der geforderten Weise. 8b. 11

12 Weitere Komponenten einer CPU Interrupt Logik: Die CPU muss asynchron auf auftretende Ereignisse reagieren können (z.b. Netzwerkkarte meldet, dass ein Netzwerkpaket eingetroffen ist). Diese Ereignisse werden über spezielle Eingänge gemeldet und unterbrechen die aktuelle Programmabarbeitung. Cache Speicher: Zum Beschleunigen der Speicherzugriffe werden Daten auf dem Prozessor Chip zwischengespeichert. Liegen die Daten bei einem erneuten Zugriff noch vor, so ist der Zugriff wesentlich schneller. 8b. 12

13 Weitere Komponenten einer CPU Fließkomma Einheit: Historisch sind Fließkomma Einheiten nicht Bestandteil der CPU. Früher gab es dazu einen mathematischen Coprozessor (Floating Point Unit, FPU), der typische Fließkomma Befehle bereitstellte. Heutzutage kann die FPU auf dem CPU Chip integriert werden. Es gibt aber auch CPUs ohne jegliche Fließkomma Funktionen. In diesem Fall muss die Fließkomma Arithmetik über Software realisiert werden. 8b. 13

14 Schematischer Aufbau einer CPU Auswahl Register für Speicherzugriff Auswahl Adresse/Daten Haupt- speicher- Adresse Haupt- speicher- Daten IP SP MAR MBR Reg n... Reg 3 Reg 2 Akku... Auswahl 2.Operand Auswahl Schreiben oder Lesen Auswahl welches Register speichern/ laden ALU & Shifter Auswahl Funktion C O Z N 8b. 14

15 Schematischer Aufbau einer CPU inkl. Steuerwerk 8b. 15

16 Das Steuerwerk (auch Leitwerk genannt) Letztlich ein ganz normales Schaltwerk Anhand des geladenen Befehls wird an eine bestimmte Stelle des Mikroprogramm Speichers verzweigt. Ein Mikroprogramm Befehl besteht im Wesentlichen aus einem Bitvektor (Auswahl1, Auswahl2,...). Dadurch werden die Multiplexer/Demultiplexer ("Auswahl...") so angesteuert, wie es der Befehl erfordert. 8b. 16

17 Das Steuerwerk Auswahl Register für Speicherzugriff 3 Auswahl 4 Adresse/Daten Haupt- speicher- Adresse Haupt- speicher- Daten IP SP MAR MBR Reg n... Reg 3 Reg 2 Akku... Auswahl 2.Operand 5 1 Befehl Auswahl Schreiben oder Lesen 8 7 Auswahl welches Register speichern/ laden 2 ALU & Shifter Auswahl Funktion 6 Auswahl... Auswahl... Auswahl... C O Z N Auswahl... Steuerwerk lesen - IP IP+4 SP+0 MIP+1 lesen reg1 MAR Daten reg2 addieren - - MIP+1 schreib. Akku MAR Daten reg1 schieben Mikroprogramm IP 8b. 17

18 Das Steuerwerk Üblicherweise erfordert ein Befehl mehrere Schritte im Mikroprogramm. Deshalb enthält ein Mikroprogramm Befehl auch Anteile, die das Mikroprogramm selbst steuern (z.b. Mikroprogramm Zähler um 1 weiterschalten). 8b. 18

19 Das Steuerwerk Durch Berücksichtigen der Flags kann das Mikroprogramm unterschiedlich reagieren. Beispiel: Maschinenbefehl des Z80 Prozessors Jump If Zero: JP Z,<adresse> 8b. 19

20 Das Steuerwerk Bedeutung des Befehls: Springe zu einer Programmadresse, wenn die letzte Operation den Wert 0 ergab Pseudo Code des zugehörigen Mikroprogramms: Werte das Zero-Flag aus Ist das Zero-Flag gesetzt, dann setze IP:=<adr> Ist das Zero-Flag nicht gesetzt, dann setze IP:=IP+1 8b. 20

21 Bemerkungen zum Mikroprogramm In der Regel ist das Mikroprogramm einer CPU fest. Es gibt einige wenige CPUs, deren Mikroprogramm neu geladen werden kann. Warum programmiert man nicht direkt auf Mikroprogramm Ebene? Mikroprogramm Befehle sind in der Regel sehr "breit" Mikroprogramm Befehle erfordern viel Wissen über den internen Aufbau der CPU 8b. 21

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