Teil 1: Prozessorstrukturen

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Cornelius Frei
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1 Teil 1: Prozessorstrukturen Inhalt: Mikroprogrammierung Assemblerprogrammierung Motorola 6809: ein einfacher 8-Bit Mikroprozessor Mikrocontroller Koprozessoren CISC- und RISC-Prozessoren Intel Pentium 1

2 CISC- und RISC-Prozessoren Eigenschaften CISC ( Complex Instruction Set Computer ): viele, teilweise sehr mächtige Instruktionen (typisch > 100) viele aufwendige Arten der Adressierung (typisch > 10) Anzahl der Takte abhängig von Instruktion und Adressierungsart Speicher/Register-Operationen i.a. nur wenige Register Beispiele: Intel 486, Intel Pentium, Motorola 680x0, VAX Eigenschaften RISC ( Reduced Instruction Set Computer ): wenige, i.a. sehr einfache Instruktionen (typisch < 50) wenige einfache Arten der Adressierung (typisch < 4) nach Möglichkeit genau eine Instruktion je Takt Register/Register-Operationen viele Register (typisch > 32) Beispiele: SPARC, MIPS, PowerPC, ARM, Alpha 2

3 Nachteile des Motorola 6809 Der Mikroprozessor Motorola 6809 weist bereits einige Merkmale eines CISC-Prozessors auf, besitzt aber einige Nachteile: nur ein einzelnes 16-Bit Datenregister verfügbar; viele Zwischenergebnisse müssen im Speicher gehalten werden 8-Bit Architektur erfordert viele Schritte für das Laden / Speichern und Bearbeiten von 16-Bit oder 32-Bit Zahlen maximaler Adressraum von 64 KByte (bedingt durch 16-Bit Adressbus) zu klein für komplexe Anwendungen oder für einen Mehrbenutzerbetrieb bzw. Mehrprogrammbetrieb keine Hardwareunterstützung für Gleitkomma-Zahlen geringe Geschwindigkeit Am Beispiel der Motorola 680x0 Prozessorfamilie (1979 bis 1995) soll nun die weitere Entwicklung der CISC-Prozessoren erläutert werden... 3

4 Entwicklung der 680x0 Prozessorfamilie 4

5 Technologie-Entwicklung in der 680x0 Familie 5

6 Motorola 680x0: Datenregister interne 32-Bit Prozessorarchitektur, für Ein-Ausgabe 8-Bit, 16- Bit oder 32-Bit Datenbus (68008, 68000/10 und 68020/30/40/60) acht gleichwertige 32-Bit Datenregister D0 bis D7 können für 8-, 16- und 32-Bit Daten genutzt werden: bei allen Befehlen ist als weiterer Operand das Register und die Wortbreite (mit Suffix.B,.W oder.l) zu spezifizieren, z.b. MOVE.B $0AFFE6,D5 (nur Bit 7 bis 0 von D5 werden neu geladen) ADD.W D7,D3 (16-Bit Addition, Ergebnis in Bit 15 bis 0 von D0) MOVE.L D6,$ (Speichern eines 32-Bit Wertes aus D6) Zwei-Adressen-Instruktionsformat <instr> <src>,<dest> 6

7 Motorola 680x0: Adressregister acht 32-Bit Adressregister A0 bis A7 dienen als Basisregister und ermöglichen das Speichern von Zeigern auf bis zu acht Datenstrukturen im Arbeitsspeicher 4 GByte Adressraum $ bis $FFFFFFFF (bei Motorola bis wurden nur die unteren 24 Bit verwendet 16 MByte Adressraum $ bis $00FFFFFF) 32-Bit Programmzähler PC (bei Motorola bis nur 24-Bit PC) linearer, nicht segmentierter Adressraum! in Adressregistern können nur Operationen auf 32-Bit Werten ausgeführt werden, CC-Flags werden hierbei nicht modifiziert A7 dient als Stack Pointer (wird von CPU zur Speicherung von Rücksprungadressen bei Unterprogrammaufrufen verwendet) 7

8 Motorola 680x0: Adressraum byteweise Adressierung des wortorientierten Speichers: Bemerkungen: alle 16-Bit und 32-Bit Daten werden im big endian Format gespeichert (d.h. höchstwertiges Byte auf niedrigster Adresse) Instruktionen (sowie 16/32-Bit Daten bei 68000/10) nie auf ungeraden Adressen! 8

9 Motorola 680x0: Adressierungsarten Motorola bis unterstützen 14 Adressierungsarten; einige Unterschiede zur 6809 Adressierung: kurze absolute (16-Bit) und lange absolute (32-Bit) Adressierung Daten- und Adreßregisterbasierte Adressierung unmittelbare Adressierung mit 16-Bit oder 32-Bit Konstanten zur indizierten Adressierung können nur Adressregister verwendet werden (stets in runde Klammern gesetzt) bei indizierter Adressierung mit Postinkrement (Prädekrement) werden Adressen automatisch um 1, 2 oder 4 erhöht (bzw. erniedrigt) Beispiele: ADD.L (A3)+,D7 oder SUB.W (A6),D3 indizierte Adressierung mit 16/32-Bit Registeroffset (in Daten- oder Adressregister) oder/und konstantem 8/16/32-Bit Offset ( base displacement ): Beispiele: ADD.B $12(A3,D4.W),D3 oder SUB.W 4(A2,D3),D5 PC-indirekte Adressierung ist indizierte Adressierung mit PC statt An Beispiel: MOVE.L $16(PC,D2),D0 9

10 Motorola 680x0: Adressierungsarten (Forts.) ingesamt 18 Adressierungsarten bei Motorola bis 68060; neu sind z.b.: indirekte Adressierung mit konstantem Offset und skaliertem Register-Offset durch Angabe eines Skalierungsfaktors SCALE {1,2,4,8} Beispiele: MOVE.L $12(A0,D0.W*4),D1 MOVE.W D3,$A(A1,A2*2) speicherindirekte Adressierung mit Prä-Index und outer displacement Beispiel: MOVE.W ([-8,A5,D3.W],$10),D5 speicherindirekte Adressierung mit Post-Index und outer displacement Beispiel: ADD.W ([$12,A6],D5.L,4),D2 zusätzliche Angabe eines Skalierungsfaktors auch bei speicherindirekter Adressierung mit Prä- oder Postindex möglich in allen obigen Adressierungsarten kann auch PC anstatt An benutzt werden 10

11 Motorola 680x0: Befehlssatz insgesamt 61 Befehle beim 68000, 119 beim Motorola 68040: weitgehend orthogonaler Befehlssatz: jede Instruktion ist mit (fast) allen Adressierungsarten und allen 3 Datentypen kombinierbar jede Instruktion erfordert ein 16-Bit Speicherwort oder ein Vielfaches hiervon und muß auf gerader Adresse beginnen Beispiel: Format der 680x0 Instruktion <instr> <ea>,<reg> mit D/A: Dn oder An W/L: Wort oder Langwort Index BS: Base Register Suppress IS: Index Register Suppress je nach Instruktion sind bis zu 10 Erweiterungsworte zur Kodierung nötig! 11

12 Motorola 680x0 : zwei Betriebsarten strenge Unterscheidung von Benutzer- und System-Modus ( user mode und supervisor mode ): CPU ist im System-Modus, wenn S-Flag im Statusregister gesetzt ist (z.b. durch Interrupt, Ausnahmebehandlung oder Trap -Instruktion) 16-Bit Statusregister (SR) besteht aus System-Byte (obere 8 Bit; enthält z.b. S-Flag und dient zur Maskierung von Interrupts, von Benutzer nicht modifizierbar!) User-Byte (untere 8 Bit, CCR mit den üblichen Flags N, Z, V und C) separate Stackpointer für beide Modi, d.h. Register A7 ist doppelt vorhanden: User Stack Pointer (USP) und Supervisor Stack Pointer (SSP) separate Adressräume für beide Modi, da CPU jeweils unterschiedliche Signale auf den function code Leitungen FC2..FC0 ausgibt größerer Betriebssystemschutz: wichtig für die Implementierung von Unix! (Motorola 680x0 wurde in den ersten UNIX-Workstations eingesetzt) 12

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