Rechnerarchitektur (Subject) / Prozessor (Lesson)

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• Aufgaben Rechenwerk Verarbeitung arithmetischer und logischer Verknüpfungsoperationen  Auswertung und Bearbeitung von Verzweigungsbefehlen  Laden und Speichern von Operanden
• Welche Klassen von arithmetischen Befehlen unterscheidet man bei Rechenwerken? Addierer Multiplizierer
• Addierwerk wichtiger Bestandteil des Rechenwerks, da Operationen (z.B. Subtraktion, Multiplikation) auf Addition zurückgeführt werden können
• Halbaddierer/Volladdierer Halbaddierer:Eine Schaltung zur Addition zweier Bits heißt Halbaddierer und ist einfach durch ein XOR zur Bildung der mod-2-Summe und ein AND zur Bildung des Übertrags herzustellen Volladdierer:Eine Schaltung zur Addition dreier Bits (z.B. zweier Operanden und des Übertrags der vorhergehenden Stufe) heißt Volladdierer
• Ripple Carry Addierer einfachste Form eines parallelen n-Bit-Addierwerks für jede der n Bitstellen verknüpft ein Vollradierer die beiden Operandeneingabebits und das Übertragsbit (Carry Bit) der nächstniedrigeren Volladdierstufe ungünstigster Fall: Übertrag im LSB > Ergebnis steht erst fest, wenn Übertragsbit alle Volladdiererstufen des Schaltwerks durchlaufen hat Verarbeitungszeit steigt linear mit der Stellenanzahl nicht in kommerziellen Prozessoren
• serielles Addierwerk kommt mit einem Volladdierer aus benötigt allerdings Bildung von c0 und damit die Addition hier eine Signallaufzeit von n Takten (n = Wortbreite der Operanden in Bit)
• Carry-Look-Ahead-Addierer Ziel: Vermeidung langer Signallaufzeiten bei der Fortpflanzung des Übertrags Addierstufen bilden jeweils statt eine Übertrages zwei Signale Übertrag nur in zwei Fällen:- beide Eingänge 1 (generate)- Übertrag vom vorhergehenden Volladdierer und zugleich mindestens ein Eingang 1 (propagate) es lassen sich alle Überträge parallel in einem zweistufigen Schaltnetz bestimmen
• Rechenwerk: Multiplizierwerk::seriell einfachster Fall 3 n-Bit breite Register und ein Addierer liefert pro Takt ein Ergebnisbit Hardware prinzipiell auch für Division verwendbar, nur etwas veränderte Steuerung
• Rechenwerk: Multiplizierwerk::parallel (ROM-Tabelle) greift auf ROM-Tabellen für konstante Zwischenergebnisse zurück Tabellen enthalten die Ergebnisse aller sogenannten Tetradenmultiplikationen von 0000 x 0000 (Ergebnis: 0h) bis 1111 x 1111 (Ergebnis: 11100001 = E1h) Bei Multiplikation mehrstelliger Zahlen wird jeweils eine Hexadezimalziffer des Multiplikators mit einer Hexadezimalziffer des Multiplikanden multipliziert Zwischenergebnis wird aus der ROM-Tabelle durch Anlegen der beiden Hexadezimalziffern als Adressauswahlleitungen ermittelt und steht in der damit adressierten Zelle Zwischenergebnisse müssen dann noch addiert werden
• Steuerwerk Grundaufgaben Befehle holen Befehle decodieren Bereitstellung der Steuerinformationen für jeden decodierten Befehl in festgelegter zeitlicher Reihenfolge Verarbeitung von Meldesignalen
• Steuerwerk: Phaseneinteilung der Befehlsbearbeitung Programm für den Mikroprozessor besteht aus Folge von Maschinenbefehlen (Makrobefehle) Makrobefehle im Maschinencode werden vom Steuerwerk sukzessiv in den Prozessor geladen
• Realisierungstechniken Steuerwerke Befehlsausführung durch festverdrahtete Logik Befehlsausführung durch Mikroprogramme (Firmware)
• Mikrobefehle/Mikroprogrammierung Realisierung der Prozessorsteuerung durch eigenständige Programmausführungsebene zwischen Befehlssatz des Rechners und dessen Hardware Repräsentation der Maschinenbefehle durch unterschiedliche Mikroprogramme
• Mikroprogrammierung Vorteile/Nachteile Vorteile: Implementierung neuer Maschinenbefehle > Austausch der Firmware > flexible Nutzung einer mikroprogrammierbaren CPU Emulation anderer Maschinensprachen Realisierung einheitlicher Befehlssätze auf unterschiedlichen Mikroarchitekturen Nachteile: interpretative Maschinenbefehlsausführung, d.h. im allg. langsamere Ausführung „verleitet“ zu komplexen Befehlen
• Unterschied mikroprogrammiert/mikroprogrammierbar mikroprogrammierte Prozessoren: Mikroprogramme werden vom Hersteller in einem Festwertspeicher untergebracht und können vom Benutzer nicht geändert werden mikroprogrammierbare Prozessoren: Anwender kann Mikroprogramme selbst erstellen und in einem Speicher ablegen
• Adresswerk Aufgaben: Bildung der Adresse eines gewünschten Befehls oder Operanden aus den Inhalten bestimmter Speicherzellen und Register nach den Vorgaben des Steuerwerks Verwaltung eines virtuellen Speichers (Umwandlung von logischen Programmadressen in physikalische Speicheradressen)

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