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Mikroprozessortechnik (Fach) / Klausur (Lektion)

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• Welches sind die vier zentralen Bestandteile eines Computersystems?! Zentrale Recheneinheit (central processing unit (CPU)), Speicher, Eingabe- und Ausgabeeinheiten und Bussystem
• Worin besteht der grundlegende Unterschied zwischen der von-Neumann- und der Harvard- Architektur? Welche grundlegende Gemeinsamkeit besteht zwischen beiden? Von Neumann hat eine Schnittstelle (Bussystem) zu einem Speicher(Daten und Programm).Harvard hat einen getrennten Daten- und Programmspeicher und -bussystem.
• Haben die ATmega-μC eine CISC- oder eine RISC-Architektur? RISC (Reduced Instruction Set Computer)!
• Haben die ATmega-μC eine Harvard- oder eine von-Neumann-Architektur? ! Havard
• Worin bestehen die grundlegenden Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern? Nennen Sie jeweils ein Einsatzbeispiel. Mikroprozessor: besteht aus CPU am Chip —> Computer!Mikrocontroller: besteht aus CPU + Peripheriemodule (RAM, A/D Converter, etc.) —> Handy!
• Nennen Sie drei essentielle Komponenten eines Prozessorkerns (CPU). - Rechenwerk (ALU-arithmetic logic unit)- Steuerwerk (control unit)- Registersatz (register file)
• Beschreiben Sie die drei Phasen einer Befehlsausführung. fetch: Lesen der nächsten Instruktion aus dem Speicher und Speicherung im Instruktionsregisterdecode: Dekodierung der Instruktionexecute: Ausführung der Instruktion
• Wie sieht die generelle Struktur eines Mikroprozessorprogramms aus? #include; #define; globale Variablen; Funktionen; Main-Funktion (Initialisierung, Endlosschleifen)
• Welche drei Komponenten werden zur Darstellung einer Fließkommazahl nach IEEE 754 abgespeichert? Wie wird der Wert dieser drei Komponenten für eine normalisierte Fließkommazahl aus den abgespeicherten Bits berechnet. Wie wird der Zahlenwert der normalisierten Fließkommazahl aus diesen Komponenten berechnet? ! Vorzeichen (S), Exponent (E), Mantisse (M
• Berechnungen mit der Fließkomma-Einheit führen zu Rundungsfehlern. Warum ist das so (2 Gründe!)? Warum sind die Rundungsfehler abhängig von der Größe des Zahlenwertes (es ist nicht die Anzahl der verwendeten Bits gemeint)? - aufgrund der endlichen Mantisse muss gerundet werden- nach jedem Rechenschritt/Rechenoperation wird gerundet- nicht jede Dezimalzahl ist als Fließkommazahl darstellbar. Dieser Rundungsfehler wirdzunehmendem Zahlenwert größer, da die Anzahl der Nachkommazahlen sinkt und somit auchdie Genauigkeit !
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• Wie werden Gleitkommazahlen generell addiert, wie multipliziert?! addieren: 1) kleineren Exponent dem größeren anpassen2) Mantissen addieren3) Normalisieren4) nach jedem Schritt runden! multiplizieren:  1) Vorzeichen multiplizieren2) Mantissen multiplizieren3) Exponenten addieren und einmal den BIAS subtrahieren4) falls erforderlich normalisieren und runden
• Nennen Sie drei unterschiedliche Schiebeoperationen. Beschreiben Sie die Unterschiede logisches schieben, arithmetisches schieben und Rotation
• Geben Sie die logischen Funktionen an, mittels derer das Carry bzw. Overflow Bit für das Statusregister bei einem 4-Bit Ripple-Carry-Addierer generiert werden? ! Carry = C4Overflow = C4 XOR C3
• Welche Funktion hat das ALU-Status-Register? ! Es speichert die Statusinformation der ALU nach einer ALU Operation. In jedem Prozessor gibt es zumindest diese Einträge: ZERO (Ergebnis war 0), CARRY (Es gab einen Übertrag) undOVERFLOW (Es gab einen Überlauf)
• In Rechnersystemen unterschiedlicher Architektur werden Mehr-Byte-Zahlen entweder im littleendian-Format, oder im big-endian-Format dargestellt. Was bedeuten diese Formate? ! Beschreiben die Ordnung, nach der Bytes in einem Computerspeicher abgelegt werdenbig-endian: große Ende wird zuerst abgelegtlittle-endian: kleinste Ende zuerst gespeichert
• Nennen Sie drei Charakteristika eines RISC-Befehlssatzes. -Befehlssatz umfasst nur einfache Operationen-Operanden liegen immer in Registern (load/store architecture) -Die eigentliche Befehlsstruktur dauert oft nur 1 Taktzyklus/Befehl
• Was kennzeichnet eine Load-Store-Architektur? Daten können nur aus Registerfile (RF) in den Datenspeicher(DM) bzw. vom DM ins RFgeschrieben werden; Daten aus DM können nicht direkt in Alu verarbeitet werdenComputerarchitektur, deren Befehlssatz Daten-/Speicherzugriffe ausschließlich mit speziellenLade- und Speicherbefehlen erlaubt!
• Wie viele Bit umfasst eine MIPS Instruktion? 32 Bit
• Wie ist eine MIPS Register-Register-Instruktion aufgebaut (wie viele Bit für welche Instruktionskomponente)? op (6 bits), rs (5), rt (5), rd (5), shamt (5), funct (6) 
• Was ist der Stack-Pointer, und welche Funktion hat er? Er weist auf die Adresse des zuletzt in den Stack eingefügten Elements hin um diese und die davor folgenden Elemente finden zu können
• Beschreiben Sie zwei Arten von “one stage addressing“. Geben Sie jeweils einen Beispiel Assembler-Befehl an. - Instruktion beinhaltet Adresse (Bsp: jL1)- Instruktion beinhaltet Register in dem die Adresse steht (Bsp: jr $ra)
• Nennen Sie zwei Arten von Pipeline-Hazards. Beschreiben sie in Stichworten die Ursachen für die Hazards. Data- & Control-HazardData-Hazard: Durch Pipelining werden Daten benötigt, die durch vorangegangene Instruktionenverändert werden sollen. Die Daten sind allerdings durch Verzögerungen noch nicht verändert, dadurch werden die alten Daten benutzt. Control-Hazard: Bei Zweigungen oder Sprüngen kommt es zu Verzögerungen obwohl dasProgramm noch in einer Zeile ist und nicht hinterherkommt
• Die Einbindung von IO-Adressen kann prinzipiell auf zwei unterschiedliche Weisen erfolgen. Welche? Beschreiben Sie in Stichworten die beiden Prinzipien. Welche Vorteile, welche Nachteile sehen Sie? Welche Methode wird heute öfter eingesetzt? Isolated I/O: - Architektur stellt spezielle Instruktionen für den Zugriff auf die Module - getrennter Adressraum für Peripherie- und SpeicheradressenVorteil: - Isolierter Aressraum ist sehr klein und kann separat angesteuert werdenNachteil:- isolierter Speicher notwendig Memory-mapped I/O:- Registern der Peripheriemodulen sind Adressen aus dem Adressraum des Speicherszugeordnet- Programme nutzen normale Lese- und Schreibeinstruktionen, wie sie auch für Speicherzugriffe genutzt werdenVorteil: - man kann mit Strukturen und Pointer auf die Hardware zugreifen, ohne Teile des Programms in Assembler schreiben zu müssenNachteil: - Teil des Adressraums muss hierfür belegt werden (weniger Speicher vorhanden)
• Sie wollen bei einem Atmega8 Mikrocontroller einen Timer-Interrupt nutzen. Welche drei Dinge müssen Sie neben der eigentlichen Programmierung des Timer bei Ihrer Programmierung beachten? - nur das tun was unbedingt notwendig ist- ISR sollte so kurz wie möglich, so lang wie nötig sein- komplexe Ausgaben gehören nicht in den ISR
• Beschreiben Sie den prinzipiellen Aufbau eines Bussystems, bei dem Daten und Adressen getrennt auf unterschiedlichen Leitungen übermittelt werden. 2 getrennte Leitungen für Adressen und Daten, Kontrolle und Regelung über Protokolle, MehrereMaster, synchrone Übertragung
• Welche Konzepte gibt es, um Slave-Latenzen größer einem Bustakt zu behandeln? - Wait States- Split Transaction
• Wofür steht die Abkürzung RAM in Bezug auf Speicher. Wie ist ein RAM-Speicher organisiert? Random Access Memory (RAM) - organisiert in zweidimensionalen Arrays - Adresse einer Zelle kann in eine Zeilen- und eine Spaltenadresse zerlegt werden
• Wie wird bei Flash-Speicher erreicht, dass der Inhalt der Speicherzellen bei Stromabschaltung nicht verloren geht? Flash-Speicher besitzt floating gates worauf durch hot electron injection Elektronen platziertwerden. Diese können trotz Spannungsausfall das Gate nicht verlassen und der Inhalt bleibterhalten.
• Worin bestehen die grundlegenden Ziele einer hierarchischen Speicherstruktur?! Unterteilung in 2 Level: Upper Level = Cache —> klein, schnell und teure TechnologieLower Level = Memory —> groß, langsam und günstige Technologie
• Welche vier Ebenen besitzt eine typische Speicherhierarchie (Reihenfolge angeben)? 1. Level Cache (SRAM) on chips, 2. Level Cache (SRAM) off-chips, Main Memory (DRAM) undVirtual Memory (Disk)
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• Erläutern Sie die Funktionsweise bzw. Grundidee von Caches Schneller Pufferspeicher, auf den die CPU zugreift, hier sind Speicheradressen und Instruktionen für die CPU abgelegt. Überprüft, ob die angeforderten Daten verfügbar sind
• Worin besteht das Prinzip der Lokalität? Welche zwei Ausprägungen kennen Sie? Es wird in einem bestimmten Zeitabschnitt nur auf einen kleinen Bereichen der Datenmengezugegriffen.Räumliche Lokalität und Zeitliche Lokalität
• Nennen Sie Verdrängungsstrategien für mehrfach-assoziative Caches? Radom, FIFO, LRU, Pseudo-LRU,NRU
• Um durch einen Timer eine Interruptfunktion zu aktivieren, müssen in einem Mikrocontroller in der Regel mindestens zwei Bit in Prozessorregistern gesetzt werden. Welche zwei Bit sind dies? TOIE0 (Interrupt erlauben) CS01 (Timer konfigurieren)
• Welche Aufgabe hat ein ADC bei einem Mikrocontroller? - wandelt analoge Spannungen (Messgrößen) in einen binären Wert um, der der Amplitude derMessgröße zur Messzeit entspricht- versetzt den Mikrocontroller in die Lage Messwerte von analogen Quellen einzulesen und diesedann digital zu verarbeiten
• ADCs arbeiten nicht ideal. Welche Fehlertypen müssen beachtet werden? Wie können diese Fehler kompensiert werden? Full Scale Error und Offset Error, diese können durch Kalibriermessung kompensiert werden
• Nennen Sie mögliche Betriebsarten für die Datenübertragung auf digitalen (seriellen) Interfaces. Simplex, Halbduplex, (Voll-)Duplex
• Wie muss eine C-Variable tick definiert sein, um sie zur Kommunikation zwischen einer ISR und dem Hauptprogramm zu nutzen volatile int tick
• Nennen Sie zwei Vorteile, die eine RISC-Architektur gegenüber einer CISC-Architektur besitzt. gleichförmiges Befehlsformat (ein Befehl pro Takt) Reduzierte Komplexität der Befehle (schnelle Hardware, höhere Taktfrequenz,prozessor einfacher zu pipelinen)
• Nennen Sie Verdrängungsstrategien für direktabbildende (direct mapped) Caches? Memory Block kann nur an einer Stelle platziert werden—>keine Verdrängungsstrategie notwendig

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