Materialien zu den Lehrveranstaltungen
Rechnerarchitekturen 1 Technische Informatik 2 ACHTUNG: Altes Material. Folien zur Vorlesung März 2009
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Verwendung in der Prüfung NICHT erlaubt! Bitte benutzen Sie nur aktuelles Material! Die neueste Version finden Sie stets unter: tu-ilmenau.de/ra
TU Ilmenau, Fakultät IA, Fachgebiet Rechnerarchitektur, Prof. Dr. W. Fengler Druck und Vervielfältigung nur zum persönlichen Gebrauch!
Technische Informatik 2
www.tu-ilmenau.de/ra
Rechnerarchitekturen 1 Prof. Dr. W. Fengler
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
1_010
Gliederung
1. Einführung, Grundlagen, Wiederholung 2. Petri-Netze 3. Prozessor und prozessorzugeordnete ACHTUNG: Altes Material. Baugruppen 4. Speicher In der aktuellen Veranstaltung 5. Ein- und Ausgabe nicht verwendbar! 6. Ergänzende prozessorzugeordnete Baugruppen – NUR RA1 7. Moderne Architekturentwicklungen – NUR TI2 Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
1_020
Weitere benötigte Materialien
TU Ilmenau, FG RA
Technische Informatik – Teil RA - Arbeitsblätter
TU Ilmenau, FG RA
Technische Informatik – Teil RA - Aufgaben
Materialien zur Lehrveranstaltung
Materialien zur Lehrveranstaltung
Technische Informatik 2 Rechnerarchitekturen 1
Technische Informatik 2 Rechnerarchitekturen 1
Arbeitsblätter zur Übung
Übungsaufgaben
ACHTUNG: Altes Material.
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!Verwendung in der Prüfung
Zur Prüfung bitte im Originalzustand mitbringen!
Prof. Fengler
Däne / Nützel
NICHT erlaubt!
Prof. Fengler
Däne / Karg / Nützel
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
1_030
Literatur
C. Märtin: Einführung in die Rechnerarchitektur - Prozessoren und Systeme. ISBN 3-446-22242-1, Hanser-Verlag 2003 C. Becker, P. Molitor: Technische Informatik. Eine einführende Darstellung. ISBN 978-3-486-58650-3, Oldenbourg Verlag 2008
ACHTUNG: Altes Material.
T. Flik: Mikroprozessortechnik und Rechnerstrukturen. ISBN 3-540-22270-7, Springer-Verlag 2005 A. S. Tanenbaum, J. Goodman: Computerarchitektur. ISBN 3-8273-7148-1, Pearson Studium 2001 (neu 2006: ISBN 3-8273-7151-1)
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Douglas E. Comer: Essentials of Computer Architecture. ISBN 0-13-149179-2, Prentice-Hall 2005
W. Fengler, I. Philippow: Entwurf Industrieller Mikrocomputer-Systeme. ISBN 3-446-16150-3, Hanser-Verlag 1991
Siehe dazu auch www.tu-ilmenau.de/ra Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
1_040
Grundelemente
DIn-1
DI0
D
DO n-1
Register: n D-Flip-Flops mit gemeinsamem Takt
DO 0
ACHTUNG: Altes Material. D
Takt (Clock)
In der aktuellen Veranstaltung Treiber: nicht verwendbar! Logikelement mit y = x aber elektronischem Verstärker
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 4.2
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TI2 RA1
Beispiel: Ohmsche Last (RL) RL Lastwiderstand Merke: großer Widerstand
1_050
kleine Last
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
RL ist groß RL ist zu klein
Uout Ausgang des Logikgatters RL ist zu klein, da der Ausgang den definierten „1“-Spannungsbereich nicht erreicht
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TI2 RA1
Bsp.: Kapazitive Last (CL)
1_060
out
CL ist klein
ACHTUNG: Altes Material.
CL ist zu groß
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Uout Ausgang des Logikgatters CL ist zu groß, da der Ausgang den definierten „1“-Spannungsbereich nicht erreicht Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
DI
DI
OE
ACHTUNG: Altes (DataMaterial. In) (Output DO
DO (Data out)
Enable)
0 OE
1_070
Prinzip des Tristate-Treibers
0
1 0 In der aktuellen Veranstaltung 0 1 nicht verwendbar! 1
1
offen offen 0 1
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TI2 RA1
1_080
Beispiel zu Tristate-Treibern
ACHTUNG: Altes Material. DI0
DI1
OE
In der aktuellen Veranstaltung bel. 0 1 nicht verwendbar!
OE0
DO
0
0
bel.
1
1
0
1
0
bel.
1
1
0
1
bel.
1
1
1
bel.
bel.
0
bel.
offen
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TI2 RA1
1_090
Tristate-Treiber, n-fach, bidirektional
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! OE0,i = DIR OE OE1,i = DIR OE v v
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 4.2
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TI2 RA1
Petri-Netze: Beispiel zur Einführung
2_010
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
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TI2 RA1
2_020
Elemente von Petri-Netzen
Graphische Darstellung 5
Beschreibung
Eigenschaft
ACHTUNG: PlatzAltes Material.Zustand, mit Kapazität
passives Element Ereignis,
TransitionVeranstaltung In der aktuellen aktives Element nicht verwendbar! Kante
3
mit Vielfachheit 2
Marke (token) hier: markierter Platz
Flussrelation Repräsentation des aktuellen Netzzustandes Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Beispiel für ein Petri-Netz
2_030
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
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TI2 RA1
Beispielnetz in Peneca CHROMOS und Petrinetz-Applet
Java-Applet für Pertrinetze
2_040
Transition
PlatzMaterial. ACHTUNG: Altes Vielfachheit Vorkante
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Platzkapazität von p3
Nachkante
Platz mit Initialmarken Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Formale Definition von Petri-Netzen
2_050
Tupelschreibweise für Petri-Netze:
Material. PN =ACHTUNG: ( P , T , F , VAltes ,K,m 0 ) In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
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TI2 RA1
Schaltfähigkeit p
t
p
2_060
Schaltregel
t
p
t
Schalten
ACHTUNG: Altes Material. V(p,t) ≤ m(p)
mk+1(p) := mk(p) – V(p,t)
In der aktuellen Veranstaltung V(t,p) + m(p)nicht ≤ K(p) verwendbar! mk+1(p) := mk(p) + V(t,p) V(p,t) ≤ m(p) V(t,p) - V(p,t) + m(p) ≤ K(p)
Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe PN-1
mk+1(p) := mk(p) - V(p,t) + V(t,p)
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TI2 RA1
2_070
Erreichbarkeit und Erreichbarkeitsgraph Petri-Netz
Erreichbarkeitsgraph p1 p2 p3 p4
p1 t1
t5
t3
3 ACHTUNG: Altes Material. 3
3
p2
t2 aktuellen Veranstaltung In der 2 nicht verwendbar!
p4
2
p3
t4
Eine Markierung mi ist von m0 aus erreichbar, wenn es eine Folge von Anwendungen der Schaltregel gibt, die mi aus m0 erzeugt. Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe PN-2
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TI2 RA1
Lebendigkeit von Petri-Netzen
2_080
Aktivierbarkeit aller Transitionen aus allen Markierungszuständen heraus Ein Netz ist lebendig, wenn alle seine Transitionen lebendig sind.
ACHTUNG: Altes Material. Eine Transition ist lebendig, wenn es für jede erreichbare Markierung eine Folge von Anwendungen der Schaltregel gibt, die zum Schalten dieser Transition führt Beispiel:
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe PN-2
Das Netz ist schwach lebendig!
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TI2 RA1
2_090
Konflikte
Sind zwei oder mehrere Transitionen gleichzeitig schaltfähig, aber das Schalten einer Transition entzieht der oder den anderen die Schaltfähigkeit, so stehen diese Transitionen im Konflikt. Beispiele:
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Vorkonflikt Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe PN-2
Nachkonflikt Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
2_100
Konfliktlösung
Ein Netz ist konfliktfrei, wenn alle erreichbaren Markierungen konfliktfrei sind. Konfliktlösungen z.B. durch ¾ Zusätzliche Voroder Nachkanten ACHTUNG: Altes Material. ¾ Zusätzliche Sonderkanten (siehe Folie 2_110) ¾ wx-Belegungen (siehe Folie 2_120) ¾ Konfliktwahrscheinlichkeiten ¾ Prioritäten
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Beispiel:
Konfliktlösung durch Prioritäten
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TI2 RA1
2_110
Sonderkanten
Kantentyp Normal Test Inhibitor Setzen/
Symbol
Beeinflusst
Verändert
Schaltfähigkeit
Markierung
ACHTUNG: Altes Material. X
X In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! X =n / =0
Rücksetzen Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe PN-3
-
X X
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TI2 RA1
Interpretierte Petri-Netze
2_120
PN = ( P , T , F , K , V , m0 , wx , wy , wt ) Beispiele:
ACHTUNG: Altes Material.
wx: Bewertungsfunktion
In der aktuellen Veranstaltung wy: Ausgabefunktion nicht verwendbar!
wt: Zeitbewertungsfunktion Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Interpretiertes Petri-Netz: Beispiel
2_130
3 1
1
2
2
ACHTUNG: Altes Material. 2
In der aktuellen Veranstaltung 2 3 nicht verwendbar! Takt Reset
x1,x2
A
Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgaben PN-4 bis PN-6
y1,y2,y3 Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Harvard-Architektur
Ein- und Ausgabe
3_010
Grundarchitekturen
ACHTUNG: ProgrammDatenspeicher speicher
Princeton-Architektur (von-Neumann-Architektur)
AltesEinMaterial. und ProgrammAusgabe
speicher
Datenspeicher
In der aktuellen Veranstaltung Systembus nicht verwendbar! Prozessor
Prozessor
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TI2 RA1
Grundprinzip Adressierung An-1
D(An-1)
An-2
D(An-2)
3_020
ACHTUNG: Altes Material. Ai+1
D(Ai+1)
Ai D(Ai) Ai In der aktuellen D(A ) i Veranstaltung
nicht verwendbar! A2
D(A2)
A1
D(A1)
A0
D(A0) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_030
Prinzip von Bussen
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Datenbus: Datentransfer bidirektional Adressbus: Datentransfer unidirektional Steuerbus: Einzelsignale i.A. unidirektional Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_040
Beispiel: Datenbus
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 3.1
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TI2 RA1
3_050
Prozessor-Grundstruktur
AST BD
ACHTUNG: Altes Material. OR1
BR
+1
PSR
ALE
OR2
In der aktuellen Veranstaltung DBI DT nicht verwendbar! ABI
BA
DB
AT
AB
ST
SB
OA SBI
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TI2 RA1
Prinzipieller Befehlsablauf
3_060
Befehl lesen und Befehl dekodieren BA, BR BD, AST
Bsp.: ACHTUNG: Altes Material.
Operand lesen OA, OR2
Befehl mit 2 Operanden: 1. Operand Register 2. Operand Speicher
In der aktuellen Veranstaltung Resultat ersetzt 1. Operanden nicht verwendbar!
Befehl ausführen ALE, OR1, OR2, PSR
Erzeugen der nächsten Befehlsadresse BA
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Erweiterung: Mehr als 2 Operandenregister
3_070
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.1
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TI2 RA1
Erweiterte Struktur Operandenadresse
Basis-OA
3_080
Indexbasis-OA
Material.+ + ACHTUNG: Altes +n -n Offset-OA
Indexoffset-OA
Gesamt-OA
Gesamt-OA
Basisadressierung
Indexadressierung
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.3
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TI2 RA1
Adressbildung bei Segmentierung
3_090
TP 2
ACHTUNG: Altes Material. TP 1
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Ein Adressraum für alle Teilprogramme DW Datenwort TP Teilprogramm Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 1.2
Basis-OA:
Änderung bei TP-Wechsel
Offset-OA: Änderung bei Arbeit in TP Gesamt-OA:= Basis-OA + Offset-OA Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Erweiterte Struktur Befehlsadresse
3_100
Basis-BA
ACHTUNG: + 1
+ Altes Material.
Offset-BA
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Gesamt-BA
Segmentierung
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TI2 RA1
OA-Struktur nach LIFO-Prinzip
3_110
ACHTUNG: Altes Material.
…
In der aktuellen Veranstaltung SP (initial) nicht verwendbar!
1. Schreiben: SP
SP – 1
erster Wert
2. Lesen: SP
SP + 1
2. Schreiben: SP
SP – 1
zweiter Wert
1. Lesen: SP
SP + 1
… Speicherraum Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.2.5
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TI2 RA1
3_120
Erweiterung: Mehrere ALE PSR 1
PSR 2
ACHTUNG: Altes Material. ALE 2
ALE 1
OR 1,1
In der aktuellen Veranstaltung OR 2,1 OR 1,2 OR 2,2 nicht verwendbar! DBI
¾ Spezialisierte ALE (z.B. FK + GK) ¾ Parallelarbeit zur Leistungssteigerung Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Verallgemeinerter Befehlsablauf
3_130
Befehl lesen und dekodieren 1. Op
1. Operand lesen
2. Op
ACHTUNG: Altes Material. 2. Op
1. Op
2. Operand lesen Befehl In der aktuellen Veranstaltung ausführen nicht verwendbar! Res Res
Resultat schreiben
Erzeugen der nächsten Befehlsadresse Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe AS-27
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TI2 RA1
Unternetze zum Befehlsablauf (1)
3_133
Befehl / Operand lesen:
BA/OA
AT
Adressbus
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung Speicherlese-Anforderung: BA/OA Adressbus nicht AT verwendbar! Speicher fertig
Datenbus
DT
ST
AST
BR/ORi Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Unternetze zum Befehlsablauf (2)
3_137
Resultat schreiben:
OA ALE
AT DT
Adressbus Datenbus
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung Speicherschreib-Anforderung: AST ST Steuerbus nicht verwendbar! Speicher fertig
ST
AST
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_140
Befehlsgruppen
Datentransferbefehle ¾Transportbefehle ¾Stackbefehle ¾Ein- und Ausgabe
Arithmetik- und Logikbefehle
Bitmanipulations- und Schiebebefehle
¾Grundrechenarten ¾Schieben ¾Logische Grund¾Rotieren operationen ¾Bit-Setzen / ACHTUNG: Altes Material. ¾Vergleich / Test Rücksetzen ¾Konvertierungen
In der aktuellen Veranstaltung Sonstige Befehle nicht verwendbar!
Programmtransferbefehle ¾Sprünge unbedingt / bedingt absolut / relativ direkt / indirekt ¾Unterprogrammbefehle ¾Interruptbefehle
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.2
¾Flagbeeinflussung ¾Halt / Wait ¾Modus-Steuerung ¾NOP („No Operation“) ¾…
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TI2 RA1
3_150
Logische Grundoperationen Datenformat n-1
1
0
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Operation
* kann UND, ODER oder EXKLUSIV-ODER sein
Inhalt Bit i Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.2.3
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_160
Schieben
Beispiel: 2 mal schieben nach rechts
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! n mal schieben nach rechts
Division durch 2n
n mal schieben nach links
Multiplikation mit 2n
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.2.4
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TI2 RA1
3_170
Rotieren
Beispiel: 2 mal rotieren nach rechts
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Kein Verlust von Bitpositionen, nur Veränderung
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.2.4
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Beispiele für Programmablauf
3_180
Unterprogrammruf
Verzweigung
Verzweige-Befehl
CALLMaterial. (UP – Ruf) ACHTUNG: Altes
Verzweigung (fest)
ZusammenIn der aktuellen Veranstaltung führung nicht verwendbar! (variabel)
Zusammenführung (fest)
CALL
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.2.6
RET (Rückkehr)
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Unterprogramm verschachtelt
3_190
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 2.2.6
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_200
Ablauf mit Interrupt
Hauptprogramm (HP)
Interrupt-Programm (IP)
kein Zusammenhang mit Taste
Reaktion auf Taste
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Hardware-Mechanismus für Interrupts
3_203
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Prozessor
InterruptController
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Ablauf einer Interrupt-Bearbeitung
3_207
2 InterruptController
3 Befehl k Befehl k+1
Adresse j
4
welcher Interrupt? Interrupt i
INT i INT n
Ereignis 1
ACHTUNG: Altes Material.5 6 Speicher: Interrupt - Zeigertabelle In der aktuellen Veranstaltung PUSH BA & PSR nicht verwendbar! x+0 7
x+1
Interruptroutine i Interrupt-Return
8
j
x+i
POP PSR & BA Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_210
Rettung des PSR Hauptprogramm
Interrupt-Programm
ACHTUNG: Altes Material. i
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Falls weitere Register im Interrupt-Programm benötigt werden, müssen diese im Interrupt-Programm über Stack gerettet werden. Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Veränderter Befehlsablauf mit Interrupt
3_215
Befehl lesen und dekodieren 1. Op 2. Op
1. Op
Stack-Schreiben BA, PSR TR nach BA
ACHTUNG: Altes Material.
2. Op
2. Operand lesen
In der Speicher lesen: DB TR
1. Operand lesen
Befehl ausaktuellen führen
Veranstaltung Res nicht verwendbar! Resultat schreiben
Res INT
IACK Interrupt-Nr. Umformung OA
Erzeugen der nächsten Befehlsadresse INT
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Beispiel: Drucken im Hintergrund
Hauptprogramm, Textverarbeitung passiv
3_220
Interrupt-Programm passiv
ACHTUNG: Altes Material. Drucker frei
Speicherstruktur In der aktuellen übergeben
Veranstaltung nicht verwendbar!
Erstes Zeichen ausgeben (HP)
ein Zeichen ausgeben (IP) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_230
Zeitverlauf dazu
Hauptprogramm
ACHTUNG: Altes Material. Interrupt-Programm
a p 1Z RDY_INT tZ tIP
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
aktiv passiv ein Zeichen ausgeben Ready (Drucken) benötigte Zeit für das Drucken eines Zeichens benötigte Zeit für Interrupt-Annahme + Interrupt-Programm Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Grundarchitektur mit Systembus
3_240
Systembus Schnittstelle
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 3.1
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_250
Buszyklus „Speicher lesen“ Synchrones Busverfahren
Prozessor
Speicher passiv
passiv Speicher lesen
ACHTUNG: Altes Material.
Adresse
AB
In der aktuellen MRDVeranstaltung interne Adresse AB, nicht verwendbar! Speicheroperation warten
Daten DB (nach tZugriff)
t ≥ twait
DB
Register
Analog dazu: „Eingabe lesen“ mit IOR Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_260
Zeitdiagramm dazu
ACHTUNG: Altes Material. Zugriff
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! wait
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 3.1
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Buszyklus „Speicher schreiben“
3_270
Synchrones Busverfahren Prozessor
Speicher passiv
passiv
ACHTUNG: Altes Material. Adresse Daten
AB DB
Adresse Daten warten
AB DB
In der aktuellen Veranstaltunginterne Speichernicht verwendbar! operation MWT
wait
Analog dazu: „Ausgabe schreiben“ mit IOW
Daten geschrieben (nach tZugriff)
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_280
Buszyklus „Speicher lesen“ Asynchrones Busverfahren
Prozessor
Speicher passiv
passiv Speicher lesen
ACHTUNG: Altes Material.interne
Adresse
AB
Speicheroperation Daten DB
MRD
t ≥ tZugriff In der aktuellen Veranstaltung Adressenicht AB,verwendbar! Daten warten
DB
DB
Register XACK Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
3_290
Buszyklus „Interrupt-Annahme“ Prozessor
Interrupt - Controller INT
Befehlsende
ACHTUNG: Altes Material.
IRQi
warten INTA TempReg Berechnung AB, Speicher lesen, DB BA
t ≥ twait In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Base + i (B) DB TempReg
DB
Rettung auf Stack: PUSH BA, PUSH PSR Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_010
Grundelemente der Speichertechnik
Flip-Flop (bistabile Kippstufe)
Kondensator 1 schreiben
ACHTUNG: Altes Material. 0: keine Spannung 1: Spannung
C
RLeck
0 schreiben
0 schreiben
In der aktuellen Veranstaltung 1 schreiben nicht verwendbar! 0: C entladen 1: C geladen
0 schreiben 0
1 1 schreiben
verwendet im sRAM
verwendet im dRAM (periodisches Auffrischen nötig) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Beispiel: Zeitverlauf beim dRAM UC
4_020
tRefresh ca. 1 ms
Ub
Logikpegel „1“
ACHTUNG: Altes Material. Logikpegel „0“
In der aktuellen Veranstaltung t 1s 1r 1r 1r nicht1rverwendbar! UC Spannung am Kondensator C Ub Betriebsspannung 1 s Wert „1“ schreiben 1 r Wert „1“ refresh (auffrischen) Dynamischer RAM (Random Access Memory) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_030
Abstrakte Bit-Zelle D
Bit-Zelle
STB
Q
(z.B. Flip-Flop)
ACHTUNG: Altes Material. D STB Q
- Daten-Eingang - Strobe (Speichertakt) - Daten-Ausgang
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_040
Wort-Zelle (Register) Beispiel: n = 16 15
D STB
Bit 15
Q
15
ACHTUNG: Altes Material. …
…
…
Eingang
D 1 In der aktuellen Veranstaltung Q 1 Bit 1 STB nicht verwendbar! 0
D STB
Bit 0
Q
Ausgang
0
STB Siehe auch Folie 2_010
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Speicherwort mit Tristate-Treiber
4_050
Beispiel: n = 32
ACHTUNG: Altes Material. D 31 … D0
Q 31 Register … 32 bit Q 0
DI 31 … DI 0
DO 31 … DO 0
In der aktuellen Veranstaltung Treiber 32 bit nicht verwendbar! Ein- und Ausgang (bidirektional)
STB OE Siehe auch Folie 2_040
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
RAM-Speicher für 2i Worte CE
4_060
WE
& Dekoder i Binär 1 aus 2 -1
O2i-1
& ACHTUNG: Altes Material. O1
Adresse i bit
&
O0 &
&
& OE1
& STB1
OE0 STB0 In der aktuellen Veranstaltung Funktion nicht verwendbar! SpeicherSpeicher-
CE
WE
(Chip Enable
(Write Enable)
0
0
inaktiv
0
1
inaktiv
1
0
Lesen
1
1
Schreiben
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 4.1
wort 0
wort 1
& & OE2i-1 STB2i-1 Speicherwort i 2 -1
Daten – Ein- und Ausgang Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Funktion des 1-aus-2i-Dekoders
4_070
2i Speicherworte unterscheidbar
i Adresseingänge 1-aus-2i-Dekoder
O2i-1 O2i-2 … A1 A0Altes … ACHTUNG: Material.
Ai-1
Ai-2
0
0
…
0
0
0
0
0
0
…
0
1
0
0
0
0
1
1
…
1
0
0
1
1
1
…
1
1
1
0
O1
O0
…
0
1
…
1
0
0
0
…
0
0
…
0
0
In der 1 1 Veranstaltung 0 0 … aktuellen … nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
1 aus y)
Zweidimensionale Speicherstruktur SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
4_080
ACHTUNG: Altes Material. Zeilendekoder (binär
TI2 RA1
In der aktuellen Veranstaltung SW verwendbar! SW SW SW nicht Spaltendekoder (binär
Adresse
1 aus x)
SW = Speicherwort Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_090
Detaildarstellung
k
l
ACHTUNG: Altes Material.k,l In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! k
l
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Beispiel für einen 32-bit-Bus D31… D24
A31 A30 v
A31 A30 v
A31 A30 v
A31 A30
D23… D16
D15… D8
4_100
D7… D0
} ** ACHTUNG: Altes Material. * * * * } ** * * * * } ** In der aktuellen Veranstaltung * nicht* verwendbar! * * } ** *
*
*
*
v
A1 A0 A1 A0 A1 A0 A1 A0 v
v
v
v
Speicher mit 8 Datenanschlüssen und 28 Adresseingängen * 1innerhalb der Speicher wird mit A29…A2 adressiert ** Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 3.2 und „Übungsaufgaben“, Aufgabe SP-1
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1 DB AB
4_110
Speicherbaugruppe mit ROM oder sRAM für einen 16-bit-Bus SB D (low) Treiber (bidirektional)
ACHTUNG: Altes Material. D (high)
OET DIR
ROM/ sRAM („odd“)
ROM/ sRAM („even“)
In der aktuellen Veranstaltung A nicht (low) verwendbar! Treiber (uniA (high) direktional) MWT MRD ) entfällt bei ROM Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe SP-2
CE0
weitere Wortgruppen CE1
Dekoder
CEn-1 WR
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_120
CEi mit Dekoder
MRD
MWT
0
0
0 1
1 0
0 1
1 0
An-1
…
An-k
beliebig
CEn 0
…
CE0
0
…
0
0
ACHTUNG: Altes Material. 0
0
…
0
1
0
0
…
0
1
0
0
…
1
0
0
0
…
1
0
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
0 1
1 0
1
1
...
1
0
0
1
...
0
0
0 1
1 0
1
1
…
1
1
1
0
…
0
0
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_130
Speicherbaugruppe mit dRAM nur Wortbetrieb RZ
AR
ATR
dRAMn-1
OEAR
DT AL
ATL ACHTUNG: AltesdRAM Material. 0 OEAL
AH
ATH OEAH
AHH MRD MWT
Takt
Dekoder
MRQ
WE
CAS
OED In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! RAS
AB
DIR
AST
R/W
RT
XACK DB
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
WE = RAS DIR = R/W
RefreshZugriff MRQ
MRQ
v
RT
MRQ = (MRD v MWT) R/W = MRQ MRD v
RAS OEAR
SpeicherZugriff
4_140
Ablaufsteuerung der dRAM-Baugruppe v
TI2 RA1
ASEL
R/W
ACHTUNG: Altes Material. MRQ
In der aktuellen Veranstaltung RAS nicht verwendbar! CAS OED XACK
RAS OEAL RAS CAS OEH
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
System mit Zweitorspeicher
Prozessor 1
Systembus 1
Speicher
4_150
E/A
ACHTUNG: Altes Material. In
Datenaustausch zwischen den derZweitorspeicher aktuellen Veranstaltung Prozessoren
nicht verwendbar!
Systembus 2
Prozessor 2
Speicher
E/A Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_160
Zweitorspeicher mit sRAM (schematisch)
Bus 1 MRD1 MWT1
AH1
XACK1 OE1
ACHTUNG: Altes Material. DIR1
Dekoder 1 R/W1
Treiberblock 1
MRQ1 CE sRAMBaugruppe
R/W2
Daten & Adressen
InAST der aktuellen Veranstaltung WE nicht verwendbar!
MRQ2
DIR2 Dekoder 2
Treiberblock 2 OE2
MRD2 MWT2
AH2
XACK2 Bus 2 Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
4_170
Ablaufsteuerung des Zweitorspeichers Zugriff 1
CE OE1 XACK1
Zugriff 2
CE OE2 XACK2
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
R/W1
R/W1) v (OE2
ASEL2
MRD2
R/W2)
DIR2 = OE2
v
v
DIR1 = OE1
v
v
WE = (OE1
R/W2 = MRQ2 v
MRD1
MRQ2 = (MRD2 v MWT2) v
v
R/W1 = MRQ1
ASEL1
v
MRQ1 = (MRD1 v MWT1)
R/W2
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Verhalten eines erweiterten Zweitorspeichers mit „LOCK“-Funktion
4_180
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_010
Ein- und Ausgabe Prozessor
Bus
ACHTUNG: Altes Material. Standard-Schnittstelle z.B. USB
Gegenstand der Rechnerarchitektur Veranstaltung
In der aktuellen nicht verwendbar! StandardSchnittstelle
Umgebung Gerät Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 3.1
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Grundelemente der parallelen digitalen Ein- und Ausgabe
5_020
Ausgabe:
ACHTUNG: Altes Material.
Eingabe:
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe EA-3
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_030
Datendarstellung
Datendarstellung n-1
n-1 k
¾ n Signale, binär
ACHTUNG: Altes Material. n-2
1
0
¾Wert ist die Belegung über alle Di zu einem Zeitpunkt tk
n-2 k
In der aktuellen Veranstaltung ¾die Ordnung (Di) bestimmt 1 k nicht verwendbar! die Wertigkeit des Signals 0 k
0 k+1
k
k+1 Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Zeitverlauf bei der Ausgabe
DB
neue Daten
ACHTUNG: Altes Material. neue Daten letzte Daten
D out AB STB IOW
5_040
E/A-Adresse
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! 1 0 1 0 Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Zeitverlauf bei der Eingabe
DB
neue Daten
ACHTUNG: Altes Material. neue Daten
D in AB OE IOR
5_050
1
E/A-Adresse In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
0 1 0 Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Prozessor Ausgabe
passiv
passiv
Eingang 1
AB = eigene Adr.
Eingabe
Din DB ACHTUNG: Altes Material. Adresse AB IOR Adresse warten
AB,
In der aktuellen Veranstaltung t ≥ twait verwendbar! nicht Adresse Daten
Adresse Daten
5_060
Zusammenwirken von Prozessor und E/A-Einheiten
AB, DB
AB, DB, warten t ≥ twait
DB
Register
IOW
Eingang 2 passiv AB = eigene Adr. Din
DB
passiv AB = eigene Adr. DB Register, Register Dout
Ausgang
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Prinzip der programmierbaren E/A
Prozessor
5_070
Speicher
ACHTUNG: Altes Material. Systembus
In der aktuellen Veranstaltung Programmierung des E/A-Controller nicht verwendbar! E/A-Controllers Prozessor + Speicher + parallele digitale E/A
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 5.1 und „Übungsaufgaben“, Aufgabe EA-1
legt Funktion der einzelnen Signale fest
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_080
Lösung mit Steuerregistern
Freigabe 1 Freigabe n
Steuerregister
ACHTUNG: Altes Material. Parameter Parameter E/A – Fkt. 1In der aktuellen E/A – Fkt. n Veranstaltung
nicht verwendbar!
Eventuell gemeinsame Anschlüsse
Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 5.2
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Programmierbare Baugruppe für parallele E/A DatenRegister
DB D0
TristateTreiber (A)
5_085
Peripherie (Umwelt)
OETTA
STBDR
ACHTUNG: TristateAltes Material. Treiber (E) OETTE
IOW IOR AB
&
&
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Decoder 1 aus 2 &
Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe EA-1
STBMR D0
ModusRegister (1 bit) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Grundstruktur zur synchronisierten Parallel-E/A
parallel
Daten
5_090
parallel
ACHTUNG: Altes Material. Aus
Ein
In der aktuellen Veranstaltung DAV IRQ A IRQ E nicht verwendbar! SynchronSynchronLogik
Bus 1 Siehe auch „Arbeitsblätter zur Übung“, Abschnitt 5.1 und „Übungsaufgaben“, Aufgabe EA-1
RDY
Logik
Bus 2
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
DAV Daten verfügbar
Ausgang
5_100
Abläufe beim Zweidraht-Handshake Bereit
Daten übernehmen
Daten ausgeben
ACHTUNG: Altes Material. Daten ermitteln (IRA)
Daten
DAV RDY
RDY
Daten verarbeiten (IRE)
Eingang
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
IRQA IRQE Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_103
Grundstruktur zum Dreidraht-Handshake
Daten
ACHTUNG: Altes Material.
DAV RDY DAC
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Ausgang
Eingang 1
Eingang n
„Open – Drain - Ausgang“ Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_107
Funktion des Dreidraht-Handshake RDY1
Ausgang
Bereit
Daten übernehmen
Eingang 1
DAC1
ACHTUNG: Altes Material. Daten Daten
Daten verfügbar
ausgeben
verarbeiten (IRE1) DAV
In der aktuellen Veranstaltung Bereit RDY2 nicht verwendbar!
Daten ermitteln (IRA)
Daten übernehmen
DAC2
v v
RDY = RDY1 DAC = DAC1
RDY2 DAC2
Eingang 2 Daten verarbeiten (IRE2) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Serielle digitale Datendarstellung
5_110
Datendarstellung
ACHTUNG: Altes Material. örtlich
zeitlich
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
ACHTUNG: Altes Material. Startbit
5_120
Datenformat der asynchronen seriellen Übertragung
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
* D7
Prüf- Stoppbit bit
Datenbits
* optional Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
in,n-1
in,n-2
in,1
in,0
5_130
Wandlung mit Schieberegistern out,n-1
out,n-2
Erweiterung für Schieben: Dout,i
ACHTUNG: Altes Material.
Din,i-1
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! out,1 out,0
P/S Takt Siehe auch Folie 2_010
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_140
Grundstruktur der asynchronen seriellen Aus- und Eingabe Taktgen.
Taktgen.
Synchronisierung
(n+2) 0 ACHTUNG: Altes Material.
parallel Aus
IRQA
parallel
SchiebeRegister
n
SchiebeRegister
Ein
In der aktuellen Veranstaltung SynchronSynchronnicht verwendbar! Logik Logik RDY
1 Seriell Out
Seriell In
P/S
Bus 1
n
Übertragung
IRQE
DAV StartStopErkenn.
Bus 2 Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Takt-Toleranzen bei der asynchronen seriellen Übertragung
Daten A
Takt
A
Takt
E
Start
D0
D1
5_142
D2
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! 1 d 2
Synchronisierung durch StartbitErkennung d: Differenz der Taktperiodendauern
D0
d
3 d 2
D1
5 d 2
D2
Abtastung der Datenbits (E) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
SYNCZeichen Start
Datenblockformat bei der synchronen seriellen Übertragung
Header
Datenblock
CRC
*ACHTUNG: Altes Material.
5_144
SYNCZeichen Stop
z.B.: n Datenbytes (Prüfsumme) -Blocklänge n -laufende In der aktuellen Veranstaltung Nummer -Sender-ID nicht verwendbar! -Ziel-ID
*optional Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Grundstruktur der synchronen seriellen Ausgabe
5_145
serieller Ausgang parallel ACHTUNG: Aus
SYNCIn der Zeichen CRCGenerator
SchiebeAltes Material. register
TaktDatenVeranstaltung Modulation Übertragung
Schiebetakt
aktuellen nicht verwendbar! TaktGenerator
Bus Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Grundstruktur der synchronen seriellen Eingabe
5_147
serieller Eingang SchiebeACHTUNG: Altes Material.parallel register
Übertragung
Ein
TaktDatenDemodulation
SYNCIn derSchiebeaktuellen Veranstaltung Erkennung takt nicht verwendbar! CRCPrüfung
Steuerung
Bus Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_148
Prinzip der Takt-Daten-Modulation
Takt
0 Material. 0 ACHTUNG: Altes 1 1
Daten
nach TDM (RZ-Code) nach TDM (NRZ-Code)
0
aktuellen 0 TIn der T T 1
Veranstaltung 0 T 1 T nicht verwendbar!
T
1
T
0
T
0
T
1
T
1
0
0
T
T
1
1
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Grundstruktur einer Zähler-Zeitgeber-Baugruppe
5_150
Bus
parallel Aus
parallel Ein
ACHTUNG: Altes Material.
„Zählkonstante“
Rückwärtszähler
Strobe
Nulldurchgang
Takt
„Zählerstand“
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Interrupt Vorteiler Ausgang Eingang
interner Takt
Freigabe
periphere Anschlüsse Siehe auch „Übungsaufgaben“, Aufgabe EA-2
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Grundstruktur Programmierbarer Interrupt Controller (PIC)
5_155
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
IRQn
IRQ1 IRQ2
Zusammenarbeit Prozessor – PIC siehe Folie 3_290
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
SchutzAnalog schaltung In
Bsp.: Baugruppe zur analogen E/A
Pegelwandler
Sample & Hold
parallel Ein
ADU
Ende Start ACHTUNG: Altes Material. Zeitsteuerung
SynchronDAV Logik
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! SchutzAnalog schaltung Out
5_160
Pegelwandler
DAU
IRQ
parallel Aus
Bus
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
ADU nach dem Sägezahnverfahren
5_170
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
5_180
DAU mit Widerstandsnetzwerk - URef k-1
R
2
k-2
2
0V < Uout < URef
ACHTUNG: Altes Material. 2R
k-3
4R
k-4
8R
2 2
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!R 0
2
2
k-1
R Uout
Digital In (k Bit) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Prozessor-Baugruppe mit MMU
6_010
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Prozessor-Zyklus mit MMU
6_020
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
...
...
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
6_030
Prozessor-Baugruppe mit Baustein für DMA DMA-Request
ACHTUNG: Altes Material. DMAAcknowledge
ZyklusSignale
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
DB
AB
SB Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Innere Struktur einer DMA-Funktionseinheit
ACHTUNG: Altes Material.
6_035
n: Anzahl Bytes, die in einem Zugriff gelesen oder geschrieben werden.
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Zusammenarbeit Prozessor - DMA
Prozessor
6_040
DMA
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
6_050
Unternetz „Übertragung“ bereit
QA
DMA
Quell-Speicher
passiv
AB
QA AB, ACHTUNG: Altes Material. warten MRD
t ≥ twait DB
Reg
int. Speicheroperation, Daten DB
In derZAaktuellen Veranstaltung AB, Reg DB verwendbar! nicht passiv
LZ > 0
t ≥ twait
LZ = 0
ZA AB, Reg DB, warten QA ZA LZ
QA+1 ZA+1 LZ-1
Blockende
MWT
int. Speicheroperation, DB Speicherplatz
ZielSpeicher
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
ChipsatzLink
DMA-Steuerung
ProzessorBus
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Prozessor
„North Bridge“ (Speicher/Bus-Controller)
USB-Interface
Echtzeit-Uhr CMOS-RAM Audio-Interface
ACHTUNG: Altes Material.
Weitere E/A
BetriebsartenManagement InterruptSteuerung
NetzwerkInterface
MassenspeicherInterface
Struktur eines typischen PC (Beispiel)
ErweiterungsInterface
TI2 RA1
6_060
ZusatzBus
„South Bridge“ (Ein/Ausgabe-Controller) Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_010
Prozessor-Leistung Leistung = (Durchschnitts-)Befehle pro Zeit
Berechnung: IPC L=
1 ACHTUNG: Altes Material. mit
tcycle L: IPC:
und
IPC =
CPI
CPI = ∑ ti ∙ pi
In der aktuellen Veranstaltung Prozessorleistung [MIPS, Million Instructions Per Second] nicht verwendbar!
Instructions Per Cycle (Anzahl Durchschnittsbefehle pro Taktzyklus)
CPI:
Cycles Per Instruction (Mittlere Anzahl Taktzyklen pro Befehl)
ti:
Anzahl Taktzyklen des i-ten Befehls
pi:
Relative Häufigkeit des i-ten Befehls
tcycle: Taktzykluszeit [µs] Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Erhöhung der Prozessorleistung
7_020
¾ Erhöhung der Taktfrequenz Æ Halbleitertechnologie, Architektur ACHTUNG:einfache Altes Material.
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
¾ Erhöhung der Befehlsanzahl pro Takt
Æ Architekturerweiterung bei Erhöhung der Hardwarekomplexität
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_030
CISC CISC: Complex Instruction Set Computer
Rechner mit komplexem Befehlssatz:
Steuerwerk μSequencer
¾Viele, auch sehr komplexe Befehle ¾Mikroprogrammierung: Realisierung der Befehle durch Sequenzen von Mikrobefehlen
Rechenwerk
ACHTUNG: Altes Material. μStatus μBefehlsZähler
DatenRegister
μProgramm Speicher
In der aktuellen Veranstaltung StatusDecoder nicht verwendbar! Register
ALU
+1
BefehlsZähler
BefehlsRegister
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_040
RISC: Struktur RISC: Reduced Instruction Set Computer
DatenACHTUNG: Altes Material. StatusDecoder Register
Register
(ID)
1.IF 2.ID
(WB) (OF)
+1 BefehlsZähler
BefehlsRegister
In der aktuellen Veranstaltung ALU (EX) nicht verwendbar!
3.OF 4.EX 5.WB
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_050
RISC: Merkmale
Rechner mit reduziertem Befehlssatz: ¾ EinfacherACHTUNG: Befehlssatz
Altes Material.
¾ Einheitlicher Befehlssatz ¾ Jede Befehlsphase 1 Takt
In der aktuellen ¾ Einheitliche Befehlsformate
Veranstaltung nicht verwendbar! ¾ Speicherzugriff nur über spezielle Lese- und Schreibbefehle (Load, Store) ¾ Viele Register
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_060
Befehls-Pipeline Pipelining: Fließbandverarbeitung Zeit BL
BD
OL
BA
OS BL
BD
OL
BA
ACHTUNG: Altes Material. Takt
Befehl
OS
Befehlszyklus Zeit
BL
In der Veranstaltung OL aktuellen BA OS BL BD nicht OL BA OS verwendbar!
BD
BL Befehl
BD
OL
BA
OS Takt
BL / BD / BA: Befehl lesen / dekodieren / ausführen OL / OS: Operand für / von Ausführung lesen / schreiben (Register) Probleme: Unterschiedliche Phasenlänge, bedingte Sprünge, Datenabhängigkeiten Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Problem: unterschiedliche Phasenlänge
7_070
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Problem: Bedingte Sprünge
7_080
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Problem: Datenabhängigkeit
7_090
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Befehl lesen
BL
Superskalare Architektur
Befehl dekodieren
Operand lesen
Befehl ausführen
7_100
Operand schreiben
OL BA / GK ACHTUNG: Altes Material.
OS
OL
BA / GK
OS
OL
BA / FK
OS
OL
BA / FK
OS
In der aktuellen Veranstaltung BD nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Befehlsreihenfolge bei Superskalar
7_110
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_120
Very-Long-Instruction-Word (VLIW)
MUL
BL
DIV
Befehl lesen
BL
Befehl dekodieren BD
Operand lesen
Befehl ausführen
Operand schreiben
OL
BA / GK
OS
ADD
BL
SUB
ACHTUNG: Altes Material.
BL
BD
OL
BA / GK
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! BD OL BA / FK
Befehlswort (VLIW)
BD
OL
BA / FK
OS
OS
OS
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Befehlsreihenfolge bei VLIW
7_130
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Prozessor mit Out-of-Order-Execution
7_140
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
Befehlsreihenfolge bei Superskalar mit Out-of-Order
7_150
ACHTUNG: Altes Material. Scheduler
TI2 RA1
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_160
Speicherhierarchie Prozessor Interne Caches (sRAM)
ACHTUNG: Altes Material. Externer Cache (sRAM) Hauptspeicher
In der aktuellen Veranstaltung nichtMassenspeicher verwendbar! LAN-Server Internet
Größe
Zugriffsgeschwindigkeit Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_170
Cache-Prinzip
Prozessor
Cache ZugriffsLogik
Hauptspeicher
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung Cache nicht verwendbar! Tag
Daten
HS A i HS A j
D (HS A i) D (HS A j)
HS A k ...
D (HS A k ) ... Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Harvard-Cache-Architektur
7_180
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
Beispiel-Architektur: Pentium
System Bus (External)
Pipeline und RISC
L2 Cache Cache Bus
CISC
Bus Interface Unit Instruction Fetch Unit
Instruction Cache (L1)
Simple Instruction Decoder
Skalar
Next IP Unit
Memory ACHTUNG: Altes Material. Reorder Complex Branch Target Buffer
Instruction Decoder Simple Instruction Decoder
7_190
Instruction Decoder
Out of Order Cache und Harvard
Buffer
Microcode Instruction Sequencer
Register Alias Table
In der aktuellen RetirementVeranstaltung Retirement Unit Data Cache Register File Reorder Buffer (Instruction Pool) Unit (L1) (Intel Arch. nicht verwendbar! Registers) Reservation Station FloatingPoint Unit (FPU)
FloatingPoint Unit (FPU)
Integer Unit
Integer Unit
Memory Interface Unit
Internal Data-Results Busses
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_200
SISD-Struktur
Steuerwerk
ACHTUNG: Altes Material.
Befehlsstrom
Datenstrom
Rechenwerk
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Datenspeicher
Befehlsspeicher
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_210
SIMD-Struktur Rechenwerk
Rechenwerk
Steuerwerk
Rechenwerk
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Datenspeicher
Befehlsstrom
Datenstrom
ACHTUNG: Altes Material.
Befehlsspeicher
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
7_220
MIMD-Struktur Rechenwerk
Steuerwerk
Rechenwerk
Steuerwerk
In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar! Datenspeicher
Befehlsstrom
Datenstrom
RechenSteuerACHTUNG: Altes Material. werk werk
Befehlsspeicher
Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009
TI2 RA1
MIMD-Kopplungsvarianten
7_230
ACHTUNG: Altes Material. In der aktuellen Veranstaltung nicht verwendbar!
Enge Kopplung
Lose Kopplung
z.B. Multicore-Prozessor
z.B. Rechnernetze Fengler, Karg, Däne, Fleischer 03-2009