Musterlösung 4 Mikroprozessor & Eingebettete Systeme 1 WS2014/2015 Hinweis: Dieses Skript dient nur zum Gebrauch neben der Vorlesung. Der Inhalt der Vorlesung folgt den Darstellungen in den Lehrbüchern (siehe Literaturangaben). Die folgenden Aufgaben erheben nicht den Anspruch, eine tiefergehende Kenntnis zu vermitteln; sie sollen lediglich den Einstieg in weiterführende Literatur erleichtern. Thema: Mikroprozessor System und Mikroprogrammierung Lösungsblatt Nr.: 4 Datum: 24.11.2015 1 Aufgabe 1 (Mikroprozessorsystem) 1.1 Zeichen Sie den schematischen Aufbau einer Von-Neumann- und einer HarvardArchitektur. Lösung: 1.1 Von-Neumann: Steuerwerk Rechenwerk Dekoder ALU Statusregister Befehlszähler Register (Zwischenspeicher) Befehlsregister Befehle Daten Speicherwerk Ein-/Ausgabe Speicher für Daten und Programme Harvard: Adressbus Prozessor Datenspeicher Programmspeicher Datenbus (Daten, Befehle) 1.2. Erläutern Sie die Vor- und Nachteile der Von-Neumann-Architektur und der HarvardArchitektur. Lösung: Harvard -Befehlsspeicher und Datenspeicher getrennt. -Datenbus, Befehlsbus und Adressbus getrennt. Von-Neumann - Befehlsspeicher und Datenspeicher in einem gemeinsamen Speicherplatz -Datenbus und Befehlsbus gemeinsam(Mltiplexbetrieb) 2 -Parallelverarbeitungsmöglichkeit -sequentiell Verarbeitungskonzept (Instruktion holen, Data holen, Ausführen) 1.3 Geben Sie für beide Architekturen an, zu welcher Klasse die jeweilige Architektur nach der Flyn‘schen Klassifikation gehört. Lösung: Von-Neumann SISD Harvard SISD Aufgabe 2 2.1 Was versteht man unter einer mikroprogrammierten Steuerung? Lösung: Die Mikroprogrammierte Steuerung ist eine Sammlung der Funktionen, die sich in einem Speicher befinden z.B. RAM, ROM, EEPROM... und ermöglichen durch die Änderungen dieser Speicherinhalte beliebige Funktionalität. 2.2 Vergleichen Sie die festverdrahtete Steuerung mit der mikroprogrammierten Steuerung und nennen Sie jeweils die Vor- und Nachteile. Vorteil Festverdrahtete Steuerung -Realisiert in Logik(Schaltung) -schnelle Steuerung Nachteil -Nicht flexibel Mikroprogrammierte Steuerung -Realisiert in Speicher -Hardware sparend: neue Funktionalitäten nur mit der Programmänderung -flexibel: kann relativ schnell angepasst werden -langsame Steuerung: muss für jeden Befehl einige Schritten gemacht werden 2.3 Erklären Sie anhand einer Skizze die Begriffe „vertikale Mikroprogrammierung“, „horizontale Mikroprogrammierung“ und „quasi-horizontale Mikroprogrammierung“. In der horizontalen Mikroprogrammierung werden die Ausgänge der Steuermatrix die entsprechenden Schaltkreise aktivieren, ohne nochmals durch einen Decoder entschlüsselt werden zu müssen. Steuermatrix Picoanweisungen ... 3 In der Quasi-horizontalen Mikroprogrammierung werden einige Mikrobefehle(z. B. ein Rechts-Shift und ein Links-Shift) zusammengefast. Allerdings dies führt zu verwenden des Decoders zu Entschlüsselung dieser Befehle. Z.B sind es vier Befehle zusammengefasst, wird 2 Bits Decoder gebraucht. Steuermatrix 2 Bit verschlüsselt Nanoanweisungen Decoder ... Picoanweisungen In der vertikalen Mikroprogrammierung besteht ein Mikrobefehl aus einem Operations- und einem Adressteil. Um diese Verfahren umzusetzen, verwendet man eine zweistufige Verschlüsselung. Zuerst wird der Operationsteil entschlüsselt und dieser gibt dann, je nach Bedarf, die einzelnen Adress-Decoder frei. Steuermatrix Operationsteil Mikroanweisungen Adressteil ... Decoder & Nanoanweisungen & Picoanweisungen 2.4 Nennen Sie die wichtigsten Vor- und Nachteile der oben genannten Arten von Mikroprogrammierung. Lösung: Vertikale Horizontale Quasi-horizontalen 4 Mikroprogrammierung -Kleines Memory Control -kleine Wortbreite -Platz sparendes -übersichtliches Routing Vorteil Nachteil -kein Parallelismus -Längere Mikroprogramme -Stark Kodiert -langsame Arbeitsgeschwindigkeit Mikroprogrammierung -Wenig Kodierung -Kürzere Mikroprogramme -Hoher Parallelismus -Einfache Hardwareimplementierung -Breite Wortformate -Längere Arbeitszeit(zusätzliche Decoder) Mikroprogrammierung -geringere Wortbreite -Wenig Kodierung - Einfache Hardwareimplementierung -Längere Arbeitszeit(zusätzliche Decoder) -Wenig Kodierung 2.5 Welche Art der Mikroprogrammierung benötigt nicht unbedingt einen zusätzlichen Decoder? Lösung: Horizontale Mikroprogrammierung Aufgabe 3 3.1 Beschreiben Sie, welche Aufgaben das Leitwerk erfüllt. Lösung: Das Leitwerk (Steuerwerk ) Verbindet Hardware mit Software Wandelt das im Speicher vorhandene Programm in eine Reihe von Mikrobefehlen Ermittlung der aktuell richtigen Adresse Überwachung und Synchronisation aller zu einem Prozess gehörenden Komponenten Auswahl und Abarbeitung von Befehlen (Mikroprogrammen) 3.2 Geben Sie an, welche Befehlsarten es gibt und geben Sie Beispiele für jede Befehlsart an. Lösung: 1. Transportbefehle Interne Transporte (Register zu Register) Schiebebefehle Externe Transporte (Arbeitsspeicher, E/A-Systeme) 2. Verknüpfungsbefehle Arithmetische Befehle Logische Befehle 5 3. Ablaufbefehle Sprungbefehle Systembefehle (Interrupts = Unterbrechungsbefehle, Speicherverwaltung) Aufgabe 4 4.1 Zeichnen Sie den prinzipiellen Aufbau eines Mikroprozessorsystems. Erklären Sie die Begriffe: Daten-, Steuer- und Adressbus. Lösung: Steuerwerk Datenbus Interner Bus Operationswerk Registersatz Adresswerk Systembusschnittstelle Adressbus Steuerbus Datenbus: Dient Zur Datenübertragung zwischen dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher und den Peripherien. Die Datenfreigabe erfolgt durch den Prozessor jeweils nur für einen Komponenten. Steuerbus: Der Steuerbus dient zur Übertragung der Steuersignale an die einzelnen Komponenten. Z.B. die Leitungen für die Lese/Schreib-Steuerung (Richtung auf dem Datenbus), Interrupt-Steuerung, Buszugriffssteuerung, Reset- und Statusleitungen. Adressbus: Auf dem Adressbus wird die Adresse angelegt, aus der die Daten gelesen oder wohin sie geschrieben werden sollen. Die Anzahl der Adressleitungen bestimmt wieviel Speicherstellen direkt adressierbar sind. z.B. Adressbus mit n Adressleitungen, kann bis zu 2n Speicherstellen adressieren. Maximal adressierbar Speicherplätze= 2 °Anzahl der Adressbusleitungen. 4.2 Wie groß ist der Speicherbereich, welcher mit 16, 24 oder 32 Adressleitungen angesprochen werden kann, wenn hinter jeder Adresse ein Byte steht? Drücken Sie die Ergebnisse in KiByte bzw. MiByte aus. Lösung: Hinweis: 210= 1024 =1KB (Kilo) 6 220 = 1MB (Mega) 230 = 1GB (Giga) 240 = 1TB (Terra) 250 = 1PB (Peta) Adressleitungen (Adressbusbreite): 16 = A0-A15 24=A0-A23 32=A0-A31 Wie können über 16 (24, 32) verschiedene Adressleitung zu den 2 16 (224,232) verschiedenen Adressen zugreifen. 216 = 2 10 * 26 = 1K * 64 = 64KB (64 Kilobyte) 224 = 220 * 24 = 1M * 16 = 16MB (Megabyte) 232 = 230 * 22 = 1G * 4 = 4GB (Gigabyte) Aufgabe 5 Erklären Sie die folgenden Begriffe: - MSB (Most Significant Bit) und LSB (Least Significant Bit) - Big- und Little-Endian-Format Lösung: - MSB (Most Significant Bit) und LSB (Least Significant Bit) Das höchstwertige Bit ist das Bit, das innerhalb der Zahl an der Stelle mit dem höchsten Stellenwert steht. Bei einer n-stelligen Binärzahl ist also dasjenige Bit das höchstwertige Bit, das an der n-ten Stelle steht. Das niedrigstwertige Bit ist das Bit, das innerhalb der Zahl an der Stelle mit dem niedrigsten Stellenwert steht. Bei einer n-stelligen Binärzahl ist also dasjenige Bit das niedrigstwertige Bit, das an der niedrigsten Stellenwert 1 steht. - Big- und Little-Endian-Format 7 Den Begriff „Big- und Little-Endian“ verwendet man in der Regel wenn man über mehr als ein Byte z.B. 2Bytes(Word) oder 4Bytes(Double Word) spricht, weil sie nicht vollständig in einer Speicherzelle des Computer-Prozessors gespeichert werden können. Dabei bezeichnet man die Reihenfolge der Bearbeitung der Bytes. Wenn das MSB an der niedrigsten Speicheradresse sich befindet, spricht man das BigEndian-Format. Wenn das LSB an der niedrigsten Speicheradresse sich befindet, spricht man das LittleEndian-Format. Speicher Adresse +0 +1 +2 +3 Big- Endian Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 MSB an der niedrigsten Speicheradresse Little- Endian Byte 3 Byte 2 Byte 1 Byte 0 LSB an der niedrigsten Speicheradresse z.B.: Es sei Datei h’12345678 im Speicher. Big-Endian-Format. 12 Adresse 34 Adresse+1 56 Adresse+2 78 Adresse+3 Wenn das LSB an der niedrigsten Speicheradresse sich befindet, spricht man das Little – Little-Endian-Format. 78 Adresse 56 Adresse+1 34 Adresse+2 12 Adresse+3 8
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