3. Grundlagen der Rechnerarchitektur. Praktische Informatik 2. Wolfgang Effelsberg

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1 3.1 Architektur des von-neumann-rechners 3.2 Maschinentypen: Einadressmaschine, Zweiadressmaschine 3.3 Befehlsformate und Adressierungstechniken 3.4 Beispiele: Die Prozessoren Texas Instruments MSP 430 und Motorola CISC vs. RISC 3-1

2 3.1 Architektur des von-neumann-rechners In einem klassischen Digitalrechner werden Programme und Daten in demselben Speicher abgelegt. Die Grundkomponenten des Rechners sind: Prozessor mit Leitwerk und Rechenwerk Leitwerk (Steuerwerk) zur Ablaufsteuerung. Enthält z.b. den Taktgeber. Rechenwerk für Arithmetik, Vergleiche usw. Hauptspeicher (Arbeitsspeicher) E/A-Steuerung für die Ein- und Ausgabe. Ein solcher Rechner wird als von-neumann-rechner bezeichnet. 3-2

3 Komponenten des von-neumann-rechners 3-3

4 Bus Die direkten Verbindungen zwischen Prozessor bzw. E/A-Steuerung einerseits und Hauptspeicher andererseits werden meist durch eine Sammelschiene (Bus) ersetzt. Ein Bus hat Adressleitungen und Datenleitungen. Die Bussteuerung sorgt dafür, dass keine Konflikte durch gleichzeitige Benutzung auftreten und die Daten korrekt von der bzw. an die Zieladresse übertragen werden. 3-4

5 Hauptspeicher Grundsätzlich können digitale Speicher auf zwei Arten adressiert werden: über den Inhalt der Speicherelemente (Assoziativspeicher) über Speicheradressen - dazu wird einem adressierbaren Element eine Speicheradresse fest zugeordnet. Ein adressierbares Element ist meist ein Byte (8 Bits), seltener ein Wort (16, 32 oder 64 Bits). Der von-neumann-rechner verwendet die zweite Adressierungstechnik. Der Hauptspeicher ist als RAM (Random Access Memory) realisiert. Dazu gibt es ein Adressregister, das das zu lesende bzw. zu schreibende Speicherelement bestimmt. Einen kompletten Lese- bzw. Schreibvorgang für ein Speicherelement bezeichnet man als einen Speicherzyklus. 3-5

6 Maschinensprache, Maschinenbefehl Die wichtigste Schnittstelle zwischen Hardware und Software ist die Maschinensprache. Sie ist definiert durch eine Menge von Maschinenbefehlen. Ein Maschinenbefehl (auch: Maschineninstruktion) entspricht einer elementaren Operation des Rechners. Er ist in Hardware realisiert. Alle Anweisungen aus höheren Programmiersprachen müssen auf Maschinenbefehle abgebildet werden. Ein Maschinenbefehl besteht aus einem Bitmuster, das unmittelbar vom Prozessor in Hardware interpretiert werden kann. Ein Teil des Bitmusters beschreibt die gewünschte Operation (Operationscode), ein anderer Teil die Operandenadresse(n), also die Adresse(n) der Speicherelemente, die durch die Operation verknüpft werden sollen. 3-6

7 3.2 Maschinentypen: Eindadressmaschine, Zweiadressmaschine Typischer Maschinenbefehl: Verknüpfung von zwei Operanden, Ergebniswert als dritter Operand. Beispiele: Addition, bedingter Sprungbefehl Ein Maschinenbefehl müsste neben dem Operationscode drei Operandenadressen enthalten. Beispiel: (202) = (200) + (201) Inhalt der Speicherzelle mit Adresse 202 ergibt sich aus der Addition der Inhalte der Speicherzellen 200 und 201. Nachteile: Die Befehle werden sehr lang. Der Speicherzugriff für alle drei Operanden wird zu langsam. Besser: Die Operand(en) nach Möglichkeit prozessornah in einem oder mehreren Registern halten. 3-7

8 Einadressmaschine Vereinbarung eines speziellen Registers, das stets den zweiten Operanden enthält und in das das Ergebnis geschrieben wird. Dieses Register heißt Akkumulator. Befehlsformat der Einadressmaschine: Beispiel: Lade (200) (* in den Akkumulator *) Addiere (201) (* zum Akkumulator *) Speichere(202) (* aus dem Akkumulator *) 3-8

9 Zweiadressmaschine Die erste Adresse bezeichnet zugleich den ersten Operanden und das Ergebnis. Der erste Operand wird im Speicher überschrieben. Befehlsformat der Zweiadressmaschine: Beispiel: Addiere (200), (201) (* Ergebnis in Speicherzelle 200 *) 3-9

10 Registermaschine (1) Mittelding zwischen Akkumulatormaschine und Zweiadressmaschine. Der erste Operand und der Ergebnisort ist stets ein Register. Es gibt nicht nur ein Register (= Akkumulator), sondern mehrere, zum Beispiel 16. Vorteile: kurze Adresse (zum Beispiel 4 Bits) für den ersten Operanden schnellere Zugriffszeit mehrere Zwischenergebnisse zugleich sehr schnell zugreifbar. 3-10

11 Registermaschine (2) Befehlsformat der Registermaschine Beispiel Lade R1, (200) Addiere R1, (201) Speichere R1, (202) Wichtiger Fall in der Praxis! (z.b. IBM /360, /370, /390, Motorola 68000, Texas Instruments MSP 430, Intel 8086 bis Pentium) 3-11

12 3.3 Befehlsformate und Adressierungstechniken Befehlsformate Der Operationscode eines Befehls hat feste Länge, meist 8 Bits. Der Operandenteil hängt vom Maschinentyp ab. Operandenteil mit fester Länge Alle Operandenteile haben feste Länge. Dadurch haben auch alle Befehle feste Länge. Leichte Handhabung, effiziente Implementierung in Hardware, aber geringe Flexibilität. Operandenteile mit verschiedenen Längen Verschiedene Operandenformate sind möglich. Dadurch unterschiedliche Befehlslängen, zum Beispiel zwei Bytes bis sechs Bytes (IBM /390). 3-12

13 Beispiel: Befehlsformate der IBM /390-Familie 3-13

14 Klassifikation von Befehlen (1) Transportbefehle dienen dazu, Daten von einem Ort an einen anderen zu übertragen. Speicherbefehle schreiben Registerinhalte in den Arbeitsspeicher, Ladebefehle transportieren aus dem Speicher zu lesende Daten in Register. Register-Register-Transporte werden ebenfalls als Laden bezeichnet, Speicher-Speicher-Transporte als Speichern. Transport mit Sofortoperanden dient zum Initialisieren von Register- oder Speicherinhalten. Arithmetische Befehle dienen dazu, Operanden in den vom Prozessor unterstützten Zahlen-Darstellungen zu manipulieren (ganze Zahlen, Gleitkommazahlen in verschiedenen Längen; Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Invertierung usw.). Vergleichsbefehle dienen dazu, zwei Operanden gemäß einer Ordnungsrelation und/oder der Bitmustergleichheit miteinander zu vergleichen. Das Ergebnis wird als Anzeige im Statuswort des Prozessors abgelegt; dort gibt es Anzeigen für <0 =0 usw. 3-14

15 Klassifikation von Befehlen (2) Sprungbefehle Der unbedingte Sprung überschreibt den Befehlszähler immer mit einem angegebenen Operanden, der bedingte Sprung nur, wenn die Anzeigen im Statuswort des Prozessors einer als Sofortoperand angegebenen Maske entsprechen. Wichtig ist weiter der Unterprogrammsprung, der an die angegebene Programmadresse verzweigt, den alten Befehlszählerstand und die Rücksprungadresse aber vorher rettet (in ein angegebenes Register, in den Hauptspeicher oder in einen Kellerspeicher (stack)). Manche Prozessoren verfügen auch über spezielle Schleifenbefehle, z.b. "dekrementiere und springe, wenn größer 0". Bitmuster-Befehle. dienen dazu, Operanden gemäß einer Bitmusteroperation zu manipulieren (bitweises UND/ODER/XOR/NOT, Schieben nach links oder rechts usw.) Bit-Befehle Transportbefehle zwischen einem Anzeigebit des Statusworts und Bitstellen in Registern oder im Hauptspeicher (Bit testen, Bit schreiben) bzw. von Sofortoperand zu Bitstelle (Bit setzen, Bit löschen). 3-15

16 Klassifikation von Befehlen (3) E/A-Befehle Transportbefehle zwischen der Ein-/Ausgabesteuerung und Registern oder dem Hauptspeicher. Spezialbefehle beeinflussen die Betriebsart des Prozessors durch Laden spezieller Register (zum Beispiel), dienen der Unterbrechungsbehandlung und stehen in der Regel nur privilegierten Programmen (zum Beispiel dem Betriebssystem) zur Verfügung. 3-16

17 Adressierungstechniken (1) Sofortoperand Im Befehl steht nicht die Speicheradresse des Ortes des Operanden, sondern der Operand selbst. Mit Sofortoperanden können beispielsweise gut Konstanten in eine Berechnung eingebracht werden. Kurzer Sofortoperand der im Befehl stehende Sofortoperand besitzt besonders kurze Bitlänge (z.b. 4 Bit), hiermit können gut die häufigen Konstanten 0, 1 eingebracht werden. Register direkt der Operand steht in dem angegebenen Register. Register indirekt im angegebenen Register findet sich die Speicheradresse des Operanden. Speicher direkt Der Operand steht in der per Adresse angegebenen Speicherzelle. Speicher indirekt In der per Adresse angegebenen Speicherzelle steht die Speicheradresse des Operanden. 3-17

18 Adressierungstechniken (2).. mit Distanz Zur Operandenadresse wird eine im Befehl stehende Konstante hinzuaddiert... Indiziert Zur Operandenadresse wird der Inhalt eines zusätzlich angegebenen Indexregisters hinzuaddiert... zum Basisregister relativ Zur Operandenadresse wird der Inhalt eines besonderen Registers dazu addiert, des so genannten Basisregisters, das nicht ausdrücklich im Befehl genannt wird... Befehlszähler relativ Zur Operandenadresse wird der aktuelle Inhalt des Befehlszählers addiert. Register indirekt mit Prädekrement Vor dem Operandenzugriff wird das im Befehl angegebene Register im Inhalt um 1 vermindert, dann wird der Inhalt als Adresse des Operanden ausgewertet (hiermit kann zum Beispiel gut die Stackoperation "Push" realisiert werden). Register indirekt mit Postinkrement Nach dem Operandenzugriff wird das im Befehl angegebene Register im Inhalt um 1 erhöht (Stackoperation "Pop"). 3-18

19 Ablauf der Befehlsausführung 3-19

20 3.4 Beispiele: TI MSP 430 und Motorola Der MSP 430: Ein Prozessor von Texas Instruments 16-Bit CPU niedrige Energieaufnahme (mehrere Jahre Laufzeit mit einer Batterie): 0.1 ua RAM-Auffrischung 0.8 ua real-time clock läuft 250 ua im Arbitsmodus von-neumann-architektur (Programm und Daten in demselben Adressraum) einfache Programmierbarkeit in Assembler und C Jede Adressierungsart für jeden Operanden in jedem Befehl verwendbar! Haupt-Anwendungsbereich: embedded systems 3-20

21 Architektur des MSP 430 clock generator ACLK SMCLK flash memory RAM MCLK RISC- CPU 16 Bits 16-Bit MAB 16-Bit MDB digitale Peripherie analoge Peripherie MCLK = Main CLock ACLK = Auxiliary Clock SMCLK = System Clock (für die Peripherie) 3-21

22 Die Register des MSP430 Der MSP 430 hat 16 Register, die mit R0 - R15 bezeichnet werden. Davon haben die ersten vier eine spezielle Bedeutung. R0: Program Counter R1: Stackpointer R2: Status Register R3: Konstantenregister 3-22

23 Der Befehlszähler R0: Program Counter, kurz PC. Schreibt man einen Wert in R0, wird dieser vom Prozessor als die Adresse interpretiert, an der der nächste auszuführende Befehl steht. Ein Laden von R0 mit einer Adresse entspricht einem nachfolgenden Sprung an diese Adresse im Speicher. Regel: Der PC ist immer gerade: Befehle stehen im Speicher immer auf 16-Bit-Wortgrenzen. 3-23

24 Der Stackpointer R1: Der Stackpointer, kurz SP. Er ist ebenfalls immer gerade. Der Stack wird mit seiner höchsten Adresse initialisiert und wächst zu niedrigeren Adressen. Der Stack steht nicht ausschließlich unter der Kontrolle des Programms, Interrupt-Routinen können ihn jeder-zeit verändern ( push ), müssen die Änderungen aber vor der Rückkehr revidieren ( pop ). 3-24

25 Das Statusregister R2: Status Register, kurz SR. Jedes Bit hat hier eine spezielle Bedeutung. Carry Flag Zero Flag Negative Flag General Interrupt Enable (ein=1) CPU ein=1, aus=0 Oszillator aus=1, ein=0 Low Power Mode Bit 0 Low Power Mode Bit 1 Overflow Bit 9-15: reserviert für zukünftige Adresserweiterungen GIE N Z C CPU OFF OS C SCG V SC G1 OFF

26 Das Konstantenregister R3: Konstantenregister Das Konstantenregister wird verwendet, um die Konstanten #-1, #0, #1, #2, #4 und #8 effizient bereit zu stellen. Eine größere Konstante wie #61 muss nach dem Befehlswort im Speicher abgelegt werden. Die sechs genannten Konstanten werden jedoch sehr häufig in Programmen verwendet. Sie finden bei Verwendung des Pseudo-Registers R3 in Form von Flags noch im eigentlichen Befehlswort Platz oder werden unter Verwendung von nicht benutzen Adressierungsarten des SR generiert, erfordern also keinen extra Speicherzugriff. Folge: kürzeres Programm und schnellere Ausführung des Befehls 3-26

27 Der Prozessor Motorola

28 Registersatz des Motorola (1) Speicheradressierung Adressierbares Speicherelement ist ein Byte. Befehle müssen auf geraden Adressen beginnen. 3-28

29 Registersatz des Motorola (2) Wortoperanden (16 oder 32 Bits) müssen auf geraden Adressen beginnen. Arithmetische Operationen sind für 8-Bit-Zahlen, 16-Bit-Zahlen und 32-Bit-Zahlen vorhanden. Negative Zahlen werden im Zweierkomplement dargestellt. Arithmetik für Gleitkommazahlen wird nicht direkt unterstützt. Allerdings sind Operationscodes dafür reserviert, und durch Aufnahme eines separaten Gleitkommaprozessors auf die Prozessorplatine können auch Rechner mit Hardware-Gleitkommaarithmetik verwirklicht werden. 3-29

30 Prozessorstatuswort SR Dient zur Statusanzeige. Wird von den meisten Befehlen gesetzt und/oder gelesen. Beispiele: Vergleichsbefehle setzen die Bits N und Z. Bedingte Sprungbefehle springen in Abhängigkeit von N und Z (z. B. BEQ ("Branch on Equal ) springt, wenn Bit Z gesetzt ist). 3-30

31 Die Adressierungsarten des Motorola Datenregister direkt Adressregister direkt Adressregister indirekt Adressregister indirekt mit Postinkrement Adressregister indirekt mit Prädekrement Adressregister indirekt mit Distanz Adressregister indirekt mit Distanz und Index Direkt PC relativ mit Distanz PC relativ mit Distanz und Index Sofortoperand Dn An (An) (An)+ -(An) gw(an) gb(an,dm) bzw. gb(an,am) bw bzw. bl gw(pc) gb(pc, Am) bzw. gb(pc, Dm) #Zahl 3-31

32 3.5 CISC vs. RISC CISC: Complex Instruction Set Computer Großer Befehlsvorrat (ca. 256 Befehle) Mächtige Befehle (z.b. Gleitkomma-Multiplikation) vereinfachen den Compilerbau. Man braucht relativ wenige Maschinenbefehle zur Lösung eines Problems kleiner Objektcode (war ein wichtiges Argument bei teurem Hauptspeicher). Relativ langsame Ausführung eines Maschinenbefehls (komplexes Mikroprogramm zur Interpretation eines Befehls) Beispiele: Motorola Familie, Intel 8086-Familie, IBM /360, /370, /390-Familie, DEC VAX-Familie, Texas Instruments MSP 430 Interessante Beobachtung in der Praxis: 80% aller ausgeführten Maschinenbefehle stammen aus 20% des Befehlssatzes! 3-32

33 RISC RISC: Reduced Instruction Set Computer Kleiner Befehlsvorrat (zum Beispiel 100 Befehle) Nur sehr elementare Befehle Man braucht relativ viele Maschinenbefehle zur Lösung eines Problems relativ großer Objektcode. Sehr schnelle Ausführung eines Maschinenbefehls durch hochgradig optimierte Prozessorlogik (auch für 32-Bit-Operanden oder 64-Bit-Operanden!). Die meisten Maschinenbefehle laufen in nur einem Prozessorzyklus ab. Es gibt kein Mikroprogramm. Beispiele: R 2000, R 3000 (z.b. DEC Station 2100, DEC System 5500); Sun SPARC (z.b. Sun 4); IBM POWER ("Performance Optimization with Enhanced RISC" in der IBM RS/6000) 3-33

34 Vergleich CISC-RISC Angaben der Prozessorleistung in MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) nicht sehr sinnvoll, da eine RISC-Instruktion weniger leistet als eine CISC-Instruktion. Der kürzeren Ausführungszeit einer RISC-Instruktion steht die größere Pfadlänge zur Lösung desselben Problems gegenüber. RISC-Vorteile hängen in der Praxis sehr von der Qualität des Compilers ab (optimierender Compiler). Komplexe, mächtige Befehlssätze (CISC) waren sinnvoll, als man noch in Assembler programmierte. Der Umweg vom Programm in einer höheren Programmiersprache (z.b. in Java) über komplexe Befehle und das Mikroprogramm (aus einfachsten, direkt in Hardware implementierten Befehlen) wird bei RISC-Architekturen vermieden. 3-34