Thema 3. von Neumann Architektur, CPU, Befehle

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Helga Sigrid Glöckner
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1 Thema 3 von Neumann Architektur, CPU, Befehle

2 zus. Literaturempfehlungen /1/ John von Neumann: First draft of a report on the EDVAC. /2/ Meiling, Fülle: Mikroprozessoren und Mikrorechner. Akademie-Verlang Berlin Kap. 2 /3/ Tanenbaum: Computerarchitektur. Pearson Studium 2001.

3 John von Neumann geb in Budapest, Ungarn gest in Washington DC, USA

4 Rechnerarchitektur nach John von Neumann in der Arbeit vom First draft of a report on the EDVAC wurden die Grundlagen gelegt: 5 wesentliche Bestandteile einer Rechenanlage: Arithmetik-Einheit Steuer-Einheit Speicher-Einheit Eingabe- und Ausgabekanäle

5 Rechnerarchitektur nach John von Neumann Eingabewerk Speicherwerk Ausgabewerk Rechenwerk Steuersignale Steuerwerk Datensignale

6 Eingabewerk DIN Ausgabewerk DIN Eine Funktionseinheit innerhalb eines digitalen Rechensystems, Mit der das System Daten von außen her aufnimmt nach außen hin abgibt

7 Speicher(werk) DIN Eine Funktionseinheit innerhalb eines digitalen Rechensystems, die digitale Daten aufnimmt, aufbewahrt und abgibt.

8 Speicher(werk) DIN Eine Funktionseinheit innerhalb eines digitalen Rechensystems, die digitale Daten aufnimmt, aufbewahrt und abgibt.

9 Rechenwerk DIN44300 Eine Funktionseinheit innerhalb eines digitalen Rechensystems, die Rechenoperationen ausführt. - auch Vergleichen, Umformen, Verschieben... z.b. Addierschaltungen, Schieberegister,...

10 Leitwerk (Steuerwerk)DIN44300 Eine Funktionseinheit innerhalb eines digitalen Rechensystems, die die Reihenfolge steuert in der die Befehle eines Programms ausgeführt werden, die diese Befehle entschlüsselt und dabei gegebenenfalls modifiziert, die die für die Ausführung erforderlichen digitalen Signale abgibt.

11 man unterscheidet: Mikroprogramm-Leitwerk: CISC-Architektur z.b. Z80, 68000, x86(bis 486), Mainframe festverdrahtetes Leitwerk: RISC-Architektur z.b SPARC, PowerPC, MIPS, ALPHA, neuere x86 intern

12 heute: Busstruktur... Rechenwerk Steuerwerk CPU Speicherwerk Ein- und Ausgabekanal Befehle Daten Adressen Datenbus Adressbus Steuerbus }Sammelleitungen

13 CPU, Prozessor (Desktop-Computer) im Allgemeinen eine Einheit, bestehend aus Rechenwerk und Steuerwerk

14 reale CPU Opteron (AMD64) Copyright by Digit-Life.com, amd.com

15 Opteron Socket 940 Pinout ;-)

16 CPU, Prozessor (Z80 Lerncomputer) im Allgemeinen eine Einheit, bestehend aus Rechenwerk und Steuerwerk

17 reale CPU (Zilog Z80)

18 Z80 CPU Pinout A0..A15 Adressbus D0..D7 Datenbus Steuerbus: /M1 /MREQ /IORQ /RD /WR /RFSH /HALT /WAIT /INT, /NMI /RESET /BUSRQ /BUSAK

19 Speicher (Desktop-Computer) Gemeint ist der Arbeitsspeicher des Computers, auch RAM genannt (Random Access Memory) Größenordnung: Desktop: 1-16GB Server: 256 GB

20 Ein-und Ausgabe (Desktop-Computer) Display (mit Grafikkarte) Audio, Netzwerk, USB- Anschluss, Maus, Tastatur, aber auch Festplatte, DVD-Laufwerk, Flash-Speicher,

21 Mini-Lerncomputer Raspberry Pi

22 iphone 3GS PCB

23 Eigenschaften des vnr Programme und Daten sind im Speicher in gleicher Weise binär abgelegt. die Bedeutung (Befehle, Daten, Adressen) ist nur aus dem Kontext ersichtlich. Programm- und Datenstrukturen sind für die Hardware nicht erkennbar.

24 ... Die Abarbeitung eines Befehls erfolgt in zwei (bzw. drei) Phasen Fetch-Phase: Lesen eines Speicherwortes Befehlszähler erhöhen wenn weitere Operanden nötig, diese Worte lesen sowie Befehlszähler erhöhen Dekodieren des Befehls (Decode-Phase) Execute-Phase Ausführung der durch den Befehl vorgegebenen Operation, evtl. schreiben eines Speicherwortes

25 Modell-Rechner A 04 03???? A 0B... IP A B CPU Register: IP Instruction Pointer A, B Register IR Instruction Register AR Address Register IR AR Modellbefehle: 01 Laden vom Speicher in A 02 Schreiben von A in den Speicher 03 Kopieren A -> B 04 Addieren A = A + B

26 Vorgänge auf dem Bus 00 CPU MEM 01 I/O A 0B 0C 0D 0E 0F Adressbus Datenbus Steuerbus

27 Maschinenprogrammierung, ISA*) Codierung eines Programms ohne Nutzung einer Höheren Programmiersprache Nutzung der einzelnen CPU-Befehle binäre Codierung notwendig Vereinfachung: Assemblersprache Anwendungen: Spezialprogramme (Geschwindigkeit!) eigentliche Geräteansteuerung (Treiber) Betriebssystem-Kern *) ISA hier Instruction Set Architecture

28 Maschinen- bzw. Assemblercodierung Addition zweier Zahlen - Hexcode A A ? Assembler-Code Demonstration Z LD A,(SP1) 1803 LD B,A 1804 LD A,(SP2) 1807 ADD A,B 1808 LD (SP3),A SP1 DB 04h 1865 SP2 DB 03h 1866 SP3 DB 00h

29 Microprofessor MPF-1 Demonstration Lerncomputer auf Z80 Basis erstmals 1981 hergetellt bis heute produziert

30 Register schnelle Zwischenspeicher in der CPU ursprünglich war nur ein Akkumulator im Rechenwerk vorgesehen heute sehr viele allgemeine Register im Rechenwerk und auch spezielle Register im Steuerwerk vorhanden allgemeine Register haben meist (mindestens) eine Bitbreite entsprechend der Architektur Auf die Registerinhalte werden u.a. arithmetischen Befehle (ADD, SUB, INC, DEC, ) Logische Befehle (AND, OR, ) Verschiebe- und Rotationsbefehle angewendet.

31 Wichtige CPU-Register GP (general purpose) - Register zur Zwischenspeicherung von Daten u. Adressen Bsp. AX (8086; EAX ab 80386), B (Z80), d3 (68000) IP - Instruction Pointer (auch PC -- Programmcounter) Flag - Register Programmstatuswort Interne (für den Programmierer nicht zugänglich) z.b Adressregister, Befehlsregister

32 Flag Register speichert Zustandsinformationen der CPU Z S Z - H PV N C IA32 S - Sign flag Z - Zero flag H - Half Carry P/V Parity (even) or Overflow N Subtract C Carry

33 Befehle und Adressierungsarten Befehle oder Instructions sind das, was die CPU kann! Befehlsarten arithmetische Befehle, logische Befehle, Sprungbefehle, Transferbefehle, Kontrollbefehle Klassifizierung feste / variable Befehlslänge feste / variable Operandenanzahl

34 Befehlsaufbau: Operationscode- Adress-Teil Üblich: feste Länge für Op-Code (n Bit) 2n verschiedene Befehle oder: mit Adressteil - kurzer Op-Code...ohne - langer Op-Code oder: Op-Code-Länge entsprechend Häufigkeit

35 Beispiel Z80 Befehlslänge 1 Byte bis 4 Bytes OC 3C INC A OC OP 3E05 LD A,5 OC OP1 OP2 2A3412 LD HL,(1234h) OC1 OC2 DDF9 LD SP,IX OC1 OC2 OP DD3401 INC (IX+1) OC1 OC2 OP1 OP2 DD LD (IX+1),5

36 Beispiel: IA32, AMD64(EM64T) sehr komplexer Befehlsaufbau Befehlslänge 1 Byte bis 18 Bytes Legacy Prefixes: REX Prefix: Opcode: ModR/M: SIB: Displacement: Immediate: Vorsätze zur Modifikation des Befehls (z.b. REP) für AMD64/EM64T Befehlscode Register und Adressmodi Scale/Index/Base Byte zur Befehlsmodifikation Verschiebung bzgl. Adressierung Direktwert

37 Referenzstufen: 0: unmittelbare Adressierung Wert des Operanden steht im Befehl 1: direkte Adressierung Adresse des Operanden steht im Befehl 2: indirekte Adressierung Adresse der Adresse des Operanden steht im Befehl >2 wenig gebräuchlich

38 Problem der v-n-architektur Manipulation einzelner Speicherworte; je Befehl mehrere Speicherzugriffe Von-Neumann-Flaschenhals Lösungen: CISC-Architektur getrennte Befehls- und Datenspeicherung für einen gleichzeitigen Zugriff (Harvard-Architektur) viele Universalregister (SPARC) Befehlspipelining

39 Begriff Semantische Lücke Semantik einer Programmiersprache: Regeln und Konventionen, nach denen die Sprache interpretiert wird Semantik einer höheren PS (C++, Pascal,...) weicht ganz erheblich von der des Maschinencodes ab >>> Semantische Lücke

40 Beispiel von Hochsprachen C++ Pascal Algol Fortran Assemblersprache Maschinencode

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