Mikroprozessortechnik

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Margarethe Vogt
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1 Klaus Wüst Mikroprozessortechnik Grundlagen, Architekturen, Schaltungstechnik und Betrieb von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern 3., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 195 Abbildungen und 44 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 1.1 Geschichtliche Entwicklung der Mikroprozessortechnik 1 1.2 Stand und Entwicklungstempo der Mikroprozessortechnik 3 1.

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 Feldeffekttransistoren Integrierte Schaltkreise (Integrated Circuits) Allgemeines Schaltkreisfamilien TTL-Bausteine CMOS-Bausteine Weitere Schaltkreisfamilien Logische Verknüpfungen und Logische Schaltglieder Aufgaben und Testfragen 30 4 Speicherbausteine Allgemeine Eigenschaften Read Only Memory (ROM) Masken-ROM (MROM) Programmable ROM (PROM) Erasable PROM (EPROM) 36

Inhaltsverzeichnis 4.2.4 EEPROM und Flash-Speicher 37 4.3 Random Access Memory (RAM) 38 4.3.1 Statisches RAM (SRAM) 38 4.3.2 Dynamisches RAM (DRAM) 40 4.

3 Inhaltsverzeichnis EEPROM und Flash-Speicher Random Access Memory (RAM) Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Magnetoresistives RAM und Ferroelektrisches RAM Aufgaben und Testfragen 54 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 61 Systembus und AdressVerwaltung Busaufbau Warum ein Bus? Open-Drain-Ausgänge Tristate-Ausgänge Bustreiber Synchrone und asynchrone Busse Busdesign Busvergabe bei mehreren Busmastern Busanschluss und Adressverwaltung Allgemeines zu Adressen und ihrer Dekodierung Adressdekodierung von Ein-/Ausgabebausteinen Adressdekodierung von Speicherbausteinen Big-Endian- und Little-Endian-Byteordnung Chipsätze moderner PCs Aufgaben und Testfragen 85 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 Assemblersprache und Compiler Hardware-Software-Schnittstelle (Instruction Set Architecture)

Inhaltsverzeichnis IX 7.6 Reset und Boot-Vorgang 108 7.7 Ergänzung: Hilfsschaltungen 109 7.7.1 Taktgenerator 109 7.7.2 Einschaltverzögerung 109 7.

4 Inhaltsverzeichnis IX 7.6 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 Ersetzungsstrategien Aktualisierungsstrategien 173

X Inhaltsverzeichnis 10.4 Fallstudie: Intel Pentium 4 (IA-32-Architektur) 175 10.4.1 Privilegierungsstufen 175 10.4.2 Speichersegmentierung, Selektoren und Deskriptoren 177 10.4.3 Paging 181 10.4.4 Kontrolle von E/A-Zugriffen 183 10.

5 X Inhaltsverzeichnis 10.4 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 Prozessoren mit mehreren Kernen 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 Energieeffizienz von Mikroprozessoren Was ist Energieeffizienz und warum wird sie gebraucht? Leistungsaufnahme von integrierten Schaltkreisen Verminderung der Leistungsaufnahme Praktische Realisierung von energieeffizienten Architekturen und Betriebsarten Mikrocontroller PC-Prozessoren Prozessoren für Subnotebooks 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) 239

Inhaltsverzeichnis XI 14.2.2 Busschnittstelle 240 14.2.3 Programmspeicher 240 14.2.4 Datenspeicher 241 14.2.5 Ein-/Ausgabeschnittstellen (Input/Output-Ports) 241 14.2.6 Zähler/Zeitgeber (Counter/Timer) 242 14.

6 Inhaltsverzeichnis XI Busschnittstelle Programmspeicher Datenspeicher Ein-/Ausgabeschnittstellen (Input/Output-Ports) Zähler/Zeitgeber (Counter/Timer) Analoge Signale Interrupt-System Komponenten zur Datenübertragung Bausteine für die Betriebssicherheit Verminderung der Leistungsaufnahme Software-Entwicklung 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 Af'chitekturmerkmale Kern Peripherie Fallbeispiel: Die DSP56800-Familie von Freescale Kern der DSP DSP-Peripherie am Beispiel des DSP56F Aufgaben und Testfragen 289 Lösungen zu den Aufgaben und Testfragen 290 Literaturverzeichnis 301 Sachwortverzeichnis 304

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