Mikroprozessoren Grundlagen AVR-Controller Input / Output (I/O) Interrupt Mathematische Operationen

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Wilhelmine Messner
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1 Mikroprozessoren Grundlagen Aufbau, Blockschaltbild Grundlegende Datentypen AVR-Controller Anatomie Befehlssatz Assembler Speicherzugriff Adressierungsarten Kontrollstrukturen Stack Input / Output (I/O) Parallel I/O Seriell I/O Timer Zusammenfassung I/O Interrupt Mathematische Operationen

2 Maschinencode Zahlen, die für eine CPU eine Bedeutung haben (Codes), z.b. 27ff... Lösche Register 31 Maschinencode ist CPU-abhängig und (nahezu) unlesbar für Menschen Hochsprache (C/C++, Java,...) prozessorunabhängig Compiler Assembler Lesbarkeit sinkt Assembler prozessorabhängig Maschinencode

3 Maschinenbefehl (Prinzip) Maschinenbefehl (binärer Befehlscode) Operationscode [Operand(en)] Was soll die CPU machen? z.b. vergleichen rechnen Daten lesen/schreiben Wo/Womit soll die CPU das machen? z.b. Inhalt eines Registers Inhalt einer Speicherstelle Konstante bei RISC- Prozessoren hat der Befehlscode für (fast) alle Befehle die gleiche Länge zb. AVR: 16 Bit Befehl, ggfs. +16Bit Adresse

4 Maschinenzyklus für 1 Befehl Befehl holen [schreiben] Befehl decodieren [lesen] Daten schreiben Berechnung ausführen Daten lesen

5 Befehlszyklus (Classic RISC pipeline ) Befehl holen (fetch) Befehl decodieren (decode) Befehl ausführen (execute) Ergebnis speichern (writeback)

6 Parallelisierung Instruction Pipelining ab hier wird mit jedem Schritt ein Befehlszyklus beendet Quelle: Wikipedia (engl.)

7 Speicher Organisationsprinzip Terminologie Schaltung Zugriff

8 Prinzip Speicher-Matrix A3 A2 1 aus 4 Multiplexer y3 y2 y1 y0 x x x x D0 0 D1 1 D2 0 D3 0 Wortbreite (hier 4 Bit) 1 aus 4 Multiplexer A1 1 0 A0

9 Speicherorganisation Wortbreite: 32 Bit 16 Bit 8 Bit Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte usw. bis: Byte Byte Byte Byte Adresse 0 Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse N-1

10 Terminologie bit binary Digit (Ja/Nein) Information Byte = Oktett 8 bit (1kB = 8kb =8kbits!!) kbyte 1024 Bytes MByte (1024)² Byte = Bytes GByte (1024) 3 Byte = Bytes TByte (TeraByte) (1024) 4 Byte = Bytes PByte (PetaByte) (1024)5 Byte = Bytes

11 Anzahl adressierbarer Speicherstellen b N = 2 b = ld( N) b... Anzahl Adressbits N... Anzahl adressierbarer Speicherstellen (je Wortbreite Bits, kleinste Wortbreite 1Byte) Speichergröße N= 1 kbyte N= 1 MByte N= 1 GByte N= 1 TByte Anzahl benötigter Adressbits b = ld( 1024) = ld( 2 10 ) = 10 b = ld( ) = ld( 2 20 ) = 20 b = ld( ) = ld( 2 30 ) = 30 b = ld( 11, ) = ld( 2 40 ) = 40

12 Entropie Z Anzahl möglicher (unterscheidbarer) Zustände E Entropie [E] = bit E = lg 2 ( Z ) = ld ( Z ) Beispiel: Würfel Z = 6 E = Bit

13 Typische Anschlussbelegung von Speicherbausteinen Adressen A14...A0 R/W * CS Speicher (32kByte) Daten D7...D0 Steuerleitungen Speicherkapazität [Wort] Wortbreite [Bit] * 1 für Read, 0 für Write CS... Chip Select

14 Bus Breite RAM 8 1 Serial (EE)PROM Control µp Control FLASH ROM 16 8 I/O

15 Physikalischer Speicher R/W high byte 8 RAM RAM je RAM- Baustein data Bit low byte 8 RAM RAM 16 address most significant bit address decoder CS

16 Speicherzugriff (read - modify - write) Berechnung Programm fortsetzen CPU Adresse auf Adressbus Befehl lesen Daten auf Datenbus Adresse auf Adressbus Daten auf Datenbus Befehl schreiben RAM 1 Wort lesen 1 Wort schreiben

17 Bus Breite Datenbus: Bit Adressbus: ??? Bit Exotische Rechner haben auch andere Werte, z.b 12bit

18 Zahlendarstellung Allgemein: Wie kann ich die Objekte, die für meine Anwendung wichtig sind, in computerlesbare Daten (Bits, Bytes, Maschinenworte) abbilden?

19 Speicher Abbild usw

20 Bytes usw

21 HEX Darstellung (Sedezimal - Zahlen) Halb-Byte (4Bit) = 1 Nibble a b c d e f 1 Byte $00... $ff Prefix $ oder 0x bedeutet: HEX!

22 Anatomie des Byte MSB LSB High Nibble Low Nibble

23 HEX Dump Speicherauszug 0000: a 0b 0c 0d 0e 0f 0010: a 1b 1c 1d 1e 1f Adresse (hexadezimal des 1. Bytes der Zeile) Inhalt des Speichers (je Zeile 16 Byte hexadezimal)

24 Datentypen Ganzzahlige numerische Datentypen Buchstaben, Zeichenketten

25 unsigned Z = $00.. $ff = Z Z = Bit ergibt 2 8 Möglichkeiten

26 signed Z = $00.. $7f = Z Z = $80.. $ff = Z MSB = Vorzeichen! Zweier- Komplement Darstellung

27 unsigned -> signed unsigned signed

28 Zweierkomplement Negation Y = - X 1) Einerkomplement bilden / Bits invertieren 2) Eins addieren In C Syntax: y = - x; // oder: y = ~x +1; Beispiele: $01 -> $fe -> $ff = -1 $02 -> $fd -> $fe = -2 $00 -> $ff -> $00 $7f -> $80 -> $81 = -127

29 Es gibt nicht nur Zahlen Eine Ampel braucht: rot, gelb, grün Suchspiel: Weitere Beispiele? Und: Ein Buch braucht Buchstaben!

30 ASCII CODE Wichtige Steuerzeichen: 0x00 Nix 0x07 Bell 0x0a Linefeed 0x0d Carriage return 0x11 Xon ( Weiter ) 0x13 Xoff( Anhalten ) 0x1b Escape 0x20 Blank 0x7f Delete

31 ASCII at work Char abc[]= ABCDEFG ; // wo steht das im Speicher? 0000: a 0b 0c 0d 0e 0f 0010: : a 0b 0c 0d 0e 0f Achtung: Es gibt drei Nullen : 0 = \0 = 0x00 Binär 0 0 = 0x30 ASCII 0 0 = 0x30 0x00 String mit einer Null drin

32 UNICODE ASCII 7 bit (Steinzeit) UNICODE 16 bit (1.Version) 16bit * 17 Pages (aktuelle Version)

33 UNICODE UTF-8 ISO10646 RFC3629

34 Mikroprozessoren Grundlagen Aufbau, Blockschaltbild Grundlegende Datentypen AVR-Controller Anatomie Befehlssatz Assembler Speicherzugriff Adressierungsarten Kontrollstrukturen Stack Input / Output (I/O) Parallel I/O Seriell I/O Timer Zusammenfassung I/O Interrupt Mathematische Operationen

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