Mikroprozessoren. Aufbau und Funktionsweise. Christian Richter. Ausgewählte Themen der Multimediakommunikation SS 2005
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- Achim Holst
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1 Mikroprozessoren Aufbau und Funktionsweise Christian Richter Ausgewählte Themen der Multimediakommunikation SS 2005 Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
2 Gliederung Was ist ein Mikroprozessor? 1 Was ist ein Mikroprozessor? Aufgaben Möglichkeiten der Einteilung 2 Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Ein beispielhafter Programmablauf Interrupts 3 Optimierungen 4 Zukünftige Möglichkeiten Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
3 Was ist ein Mikroprozessor? Was ist ein Mikroprozessor? 1971: Intel Transistoren auf 12mm 2 (10µm) QUELLE: STANFORD UNIVERSITY, VLSI-GROUP 2002: Intel Pentium4 Northwood 55 Mio. Trans. auf 131mm 2 (130nm) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
4 Was ist ein Mikroprozessor? Aufgaben Aufgaben Ansteuerung der Peripheriegerätecontroller Einlesen der Programme und Daten, Ausgabe der Ergebnisse Speicherzugriff Verarbeitung der Daten Logische (AND, OR, XOR, NOT) und arithmetische Operationen Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
5 Was ist ein Mikroprozessor? Möglichkeiten der Einteilung I Möglichkeiten der Einteilung Harvard vs. von Neumann HARVARD-Architektur (getrennte Daten- und Programmspeicher) VON NEUMANN-Architektur (gemeinsamer Speicher) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
6 Was ist ein Mikroprozessor? Möglichkeiten der Einteilung Möglichkeiten der Einteilung II RISC vs. CISC RISC (Reduced Instruction Set Computing): Wenige, möglichst einfache Befehle schnelle Ausführung (meist 1 Befehl/Takt) CISC (Complex Instruction Set Computing): Sehr viele, komplexe Befehle Langsame Ausführung, dafür sehr mächtig Universal- vs. Spezialprozessoren Einteilung nach Flexibilität der Prozessoren Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
7 Gliederung Aufbau und Funktionsweise 1 Was ist ein Mikroprozessor? Aufgaben Möglichkeiten der Einteilung 2 Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Ein beispielhafter Programmablauf Interrupts 3 Optimierungen 4 Zukünftige Möglichkeiten Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
8 Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Komponenten eines Mikroprozessors Grobe Aufteilung in Funktionsblöcke: Steuerwerk Register Rechenwerk (ALU) Systembus-Interface Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
9 Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Register aufgebaut aus Flipflops direkt auf der CPU (voller Prozessortakt) direkt durch Steuerleitungen wählbar (keine Adressierung nötig) können in einem Takt gelesen bzw. beschrieben werden General Purpose Register können frei gelesen/beschrieben werden (für Operanden, Adressen und Ergebnisse) Spezialregister für die interne Funktion des Prozessors benötigt z.b. Programmzähler, Befehlsregister, Statusregister... (nur eingeschränkt les-/beschreibbar) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
10 Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Rechenwerk ALU (Arithmetic Logical Unit) Schaltnetz ( gedächtnislos) verknüpft zwei Operanden logisch (AND, OR, NOT...) oder arithmetisch (+,-,,/) Operation durch Multiplexer wählbar Nach: Volkmar Sieh»Script TI II«S.178 Statusregister (Condition Code Register CCR) Speichert Informationen über das Ergebnis der letzten Operation z.b: Z(ero)-Bit Ergebnis =0? N(egative)-Bit Ergebnis <0? Overflow-Bit arithm. Überlauf? Cary-Bit Übertrag Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
11 Steuerwerk Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Befehl wird ins Befehlsregister eingelesen Befehlsdecoder startet Op-Code-spezifisches µprogramm (bestimmt, wann welche Steuerleitungen geschaltet werden) Program-Counter enthält immer die Adresse des nächsten Befehls Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
12 Aufbau und Funktionsweise Ein Programm als Beispiel Ein beispielhafter Programmablauf Programmstück für einen MC6800-Prozessor Adresse Hex-Code Assembler Bedeutung $0020 0E 8-Bit Wert $0E (Dezimal: 14) $ Bit Wert $05 (Dezimal: 5) $ LDA A $20 Wert aus $20 Register A $2002 5F CLR B Setze Register B auf Null $2003 5C INC B Wert von Register B um 1 erhöhen $2004 9D 21 SUB A $21 Register A minus Wert aus $21 $2006 2E BGT $2003 Sprung zu $2003, wenn Ergebnis > 0 $2009 5A DEC B Wert von Register B um 1 verringern Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
13 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2002 CCR: Z=0, N=0 A: 0E (dez: 14) B: Steuerwerk Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
14 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2003 CCR: Z=0, N=0 A: 0E (dez: 14) B: 00 Steuerwerk Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
15 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2004 CCR: Z=0, N=0 A: 0E (dez: 14) B: 01 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
16 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2006 CCR: Z=0, N=0 A: 09 B: 01 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
17 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2003 CCR: Z=0, N=0 A: 09 B: 01 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
18 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2004 CCR: Z=0, N=0 A: 09 B: 02 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
19 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2006 CCR: Z=0, N=0 A: 04 B: 02 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
20 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2003 CCR: Z=0, N=0 A: 04 B: 02 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
21 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2004 CCR: Z=0, N=0 A: 04 B: 03 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
22 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2006 CCR : Z=0, N=1 A: -1 B: 03 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
23 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2009 CCR : Z=0, N=1 A: -1 B: 03 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
24 Aufbau und Funktionsweise Ein beispielhafter Programmablauf Ablauf des Programmes im Prozessor Programm 1 $2000 LDA A $20 2 $2002 CLR B 3 $2003 INC B 4 $2004 SUB A $21 5 $2006 BGT $ $2009 DEC B Register PC: $2009 CCR : Z=0, N=1 A: -1 B: 02 ALU (Nach Volkmar Sieh»Script TI II«S.178) Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
25 Aufbau und Funktionsweise Interrupts Interrupts Problem Was passiert, wenn der Prozessor auf plötzliche Ereignisse reagieren muß? Interne: Division durch Null Externe: Taste gedrückt Lösung: Interrupts Unterbrechung des laufenden Programmes wird angefordert (Interrupt Request, IRQ) extra Programmstück wird ausgeführt um den IRQ zu behandeln (Interrupt Service Routine, ISR) normales Programm wird fortgesetzt Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
26 Aufbau und Funktionsweise Interrupts Interrupts Problem Was passiert, wenn der Prozessor auf plötzliche Ereignisse reagieren muß? Interne: Division durch Null Externe: Taste gedrückt Lösung: Interrupts Unterbrechung des laufenden Programmes wird angefordert (Interrupt Request, IRQ) extra Programmstück wird ausgeführt um den IRQ zu behandeln (Interrupt Service Routine, ISR) normales Programm wird fortgesetzt Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
27 Gliederung Optimierungen 1 Was ist ein Mikroprozessor? Aufgaben Möglichkeiten der Einteilung 2 Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Ein beispielhafter Programmablauf Interrupts 3 Optimierungen 4 Zukünftige Möglichkeiten Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
28 Höhere Taktfrequenz Optimierungen Funktioniert! Es wird 1 µschritt pro Taktzyklus ausgeführt. höherer Takt mehr Befehle pro Sekunde ABER: Verlustleistung steigt linear mit der Taktfrequenz P = C U 2 Core f Takt Prozessor wird heiß hoher Kühlungsaufwand Laut! Hoher Stromverbrauch schlecht für mobile Geräte (begrenzte Akku-Kapazität) schlecht für Umwelt und Geldbeutel Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
29 Höhere Taktfrequenz Optimierungen Funktioniert! Es wird 1 µschritt pro Taktzyklus ausgeführt. höherer Takt mehr Befehle pro Sekunde ABER: Verlustleistung steigt linear mit der Taktfrequenz P = C U 2 Core f Takt Prozessor wird heiß hoher Kühlungsaufwand Laut! Hoher Stromverbrauch schlecht für mobile Geräte (begrenzte Akku-Kapazität) schlecht für Umwelt und Geldbeutel Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
30 Optimierungen Beschleunigter Speicherzugriff Speicher ist um Größenordnungen langsamer als Prozessor häufige Wartetakte, bis benötigte Daten zur Verfügung stehen Quelle: Axel Böttcher»Foliensatz Rechnertechnik«Lösung Speicherhierarchie Cache: schneller Zwischenspeicher direkt auf dem Prozessor Hauptspeicher: meist normaler DRAM-Speicher Hintergrundspeicher: Festplatte, Netzwerk etc. Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
31 Optimierungen Beschleunigter Speicherzugriff Speicher ist um Größenordnungen langsamer als Prozessor häufige Wartetakte, bis benötigte Daten zur Verfügung stehen Quelle: Axel Böttcher»Foliensatz Rechnertechnik«Lösung Speicherhierarchie Cache: schneller Zwischenspeicher direkt auf dem Prozessor Hauptspeicher: meist normaler DRAM-Speicher Hintergrundspeicher: Festplatte, Netzwerk etc. Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
32 Optimierungen Paralleles Ausführen von Befehlen Pipeline-Architektur (Synchronparallele Organisation) Befehlsausführung wird in mehrere Phasen (laden, decodieren...) eingeteilt. Ausführung je um eine Phase verschoben. PRO mit jedem Takt wird ein Befehl fertig (Fließband) CON Problem bei Sprüngen und Datenabhängigkeiten Superskalare Prozessoren (Instruction Level Paralelism, ILP) Mehrere Funktionseinheiten (ALUs...) vorhanden. Befehle im Voraus laden. Zuteilung durch Dispatcher. Nebenläufiges (spekulatives) Ausführen der Befehle. Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
33 Optimierungen Paralleles Ausführen von Befehlen Pipeline-Architektur (Synchronparallele Organisation) Befehlsausführung wird in mehrere Phasen (laden, decodieren...) eingeteilt. Ausführung je um eine Phase verschoben. PRO mit jedem Takt wird ein Befehl fertig (Fließband) CON Problem bei Sprüngen und Datenabhängigkeiten Superskalare Prozessoren (Instruction Level Paralelism, ILP) Mehrere Funktionseinheiten (ALUs...) vorhanden. Befehle im Voraus laden. Zuteilung durch Dispatcher. Nebenläufiges (spekulatives) Ausführen der Befehle. Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
34 Optimierungen Befehlssatzerweiterungen Speziell optimierte Befehle für bestimmte, häufig auftretende Operationen Vor allem für die Verarbeitung von Multimediadaten Beispiele MMX SSE1/2/3 3Dnow! AltiVec Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
35 Gliederung Zukünftige Möglichkeiten 1 Was ist ein Mikroprozessor? Aufgaben Möglichkeiten der Einteilung 2 Aufbau und Funktionsweise Komponenten eines Mikroprozessors Ein beispielhafter Programmablauf Interrupts 3 Optimierungen 4 Zukünftige Möglichkeiten Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
36 Zukünftige Möglichkeiten Zukünftige Möglichkeiten Dual-Core Prozessoren zwei vollständig getrennte Prozessorkerne auf einem Chip (ab Mitte 2005 verfügbar) Polymer-Prozessoren Transistoren auf Basis halbleitender Polymere biegsam und einfach zu verarbeiten aber noch sehr langsam (<13kHz) und empfindlich gegen Umwelteinfllüsse Quelle: c t-magazin 2/1999 S.80 Prozessoren mit supraleitenden Elementen (RSFQ) extrem geringe Verlustleistungen (z.b. 9mW bei 24GHz) Optische Datenverarbeitung Christian Richter (TU-Berlin) Mikroprozessoren AT MMK / 22
37 THE END Vielen Dank! Folien und Seminararbeit sind zu finden unter: (Natürlich erst nach Ende der Veranstaltung.)
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