Mikroprozessortechnik: Grundlagen, Architekturen, Schaltungstechnik und Betrieb von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern ; mit 44 Tabellen
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Vieweg + Teubner
2011
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| Ausgabe: | 4., aktualisierte und erw. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Studium
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| Beschreibung: | XII, 336 S. Ill., graph. Darst. 24cm |
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| adam_text | Titel: Mikroprozessortechnik
Autor: Wüst, Klaus
Jahr: 2011
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
1.1 Geschichtliche Entwicklung der Mikroprozessortechnik............. 1
1.2 Stand und Entwicklungstempo der Mikroprozessortechnik........... 3
1.3 Grundbestandteile eines Mikrorechnersystems.................. 4
1.4 Aufgaben und Testfragen ............................. 6
2 Informationseinheiten und Informationsdarstellung 7
2.1 Bits, Tetraden, Bytes und Worte......................... 7
2.2 Die Interpretation von Bitmustern........................ 8
2.3 Zahlensysteme ................................... 9
2.4 Die binäre Darstellung von Zahlen........................ 10
2.4.1 Vorzeichenlose ganze Zahlen........................ 11
2.4.2 Vorzeichenbehaftete ganze Zahlen (Zweierkomplement-Darstellung) . . 11
2.4.3 Festkommazahlen.............................. 13
2.4.4 Gleitkommazahlen............................. 14
2.5 Aufgaben und Testfragen............................. 18
3 Halbleiterbauelemente 19
3.1 Diskrete Halbleiterbauelemente.......................... 19
3.1.1 Dotierte Halbleiter............................. 19
3.1.2 Feldeffekttransistoren........................... 19
3.2 Integrierte Schaltkreise (Integrated Circuits)................... 21
3.2.1 Allgemeines................................. 21
3.2.2 Schaltkreisfamilien............................. 23
3.2.3 TTL-Bausteine............................... 24
3.2.4 CMOS-Bausteine.............................. 25
3.2.5 Weitere Schaltkreisfamilien........................ 27
3.2.6 Logische Verknüpfungen und Logische Schaltglieder .......... 27
3.3 Aufgaben und Testfragen............................. 30
4 Speicherbausteine 31
4.1 Allgemeine Eigenschaften............................. 31
4.2 Read Only Memory (ROM)............................ 34
4.2.1 Masken-ROM (MROM).......................... 34
4.2.2 Programmable ROM (PROM) ...................... 35
4.2.3 Erasable PROM (EPROM)........................ 36
VIII Inhaltsverzeichnis
4.2.4 EEPROM und Flash-Speicher....................... 37
4.3 Random Access Memory (RAM)......................... 38
4.3.1 Statisches RAM (SRAM)......................... 38
4.3.2 Dynamisches RAM (DRAM)....................... 40
4.4 Magnetoresistives RAM und Ferroelektrisches RAM.............. 52
4.5 Aufgaben und Testfragen ............................. 54
5 Ein- und Ausgabe 56
5.1 Allgemeines..................................... 56
5.2 Eingabeschaltung, Ausgabeschaltung....................... 56
5.3 Ein-/Ausgabe-Steuerung von Bausteinen und Geräten............. 58
5.3.1 Aufbau von Bausteinen und Geräten mit Ein-/Ausgabe-Steuerung . . 58
5.3.2 Fallbeispiel: Der programmierbare Ein-/Ausgabebaustein 8255 .... 59
5.4 Aufgaben und Testfragen ............................. 61
6 Systembus und Adressverwaltung 62
6.1 Busaufbau...................................... 62
6.1.1 Warum ein Bus?.............................. 62
6.1.2 Open-Drain-Ausgänge........................... 63
6.1.3 Tristate-Ausgänge............................. 64
6.1.4 Bustreiber.................................. 65
6.1.5 Synchrone und asynchrone Busse..................... 67
6.1.6 Busdesign.................................. 68
6.1.7 Busvergabe bei mehreren Busmastern.................. 69
6.2 Busanschluss und Adressverwaltung....................... 70
6.2.1 Allgemeines zu Adressen und ihrer Dekodierung ............ 70
6.2.2 Adressdekodierung von Ein-/Ausgabebausteinen............ 71
6.2.3 Adressdekodierung von Speicherbausteinen............... 76
6.2.4 Big-Endian- und Little-Endian-Byteordnung .............. 80
6.3 Chipsätze moderner PCs.............................. 81
6.4 Aufgaben und Testfragen ............................. 85
7 Einfache Mikroprozessoren 87
7.1 Die Ausführung des Maschinencodes....................... 87
7.2 Interner Aufbau eines Mikroprozessors...................... 89
7.2.1 Registersatz................................. 89
7.2.2 Steuerwerk................................. 91
7.2.3 Operationswerk (Rechenwerk)....................... 93
7.2.4 Adresswerk und Adressierungsarten ................... 95
7.2.5 Systembus-Schnittstelle.......................... 99
7.3 CISC-Architektur und Mikroprogrammierung.................. 100
7.4 RISC-Architektur.................................. 101
7.5 Programmierung von Mikroprozessoren ..................... 103
7.5.1 Maschinenbefehlssatz............................ 103
7.5.2 Maschinencode und Maschinenprogramme................ 105
7.5.3 Assemblersprache und Compiler ..................... 106
7.5.4 Hardware-Software-Schnittstelle (Instruction Set Architecture) .... 107
Inhaltsverzeichnis IX
7.6 Reset und Boot-Vorgang.............................. 108
7.7 Ergänzung: Hilfsschaltungen............................ 109
7.7.1 Taktgenerator................................ 109
7.7.2 Einschaltverzögerung............................ 109
7.8 Aufgaben und Testfragen ............................. 109
8 Besondere Betriebsarten 111
8.1 Interrupts (Unterbrechungen)........................... 111
8.1.1 Das Problem der asynchronen Service-Anforderungen ......... 111
8.1.2 Das Interruptkonzept ........................... 112
8.1.3 Interrupt-Behandlungsroutinen...................... 112
8.1.4 Aufschaltung und Priorisierung von Interrupts............. 113
8.1.5 Vektorisierung und Maskierung von Interrupts, Interrupt-Controller . 114
8.2 Ausnahmen (Exceptions) ............................. 116
8.3 Direct Memory Access (DMA) .......................... 116
8.4 Aufgaben und Testfragen............................. 118
9 Beispielarchitekturen 119
9.1 Die CPU08 von Freescale............................. 119
9.1.1 Übersicht.................................. 120
9.1.2 Der Registersatz.............................. 121
9.1.3 Der Adressraum.............................. 123
9.1.4 Die Adressierungsarten .......................... 123
9.1.5 Der Befehlssatz............................... 127
9.1.6 Unterprogramme.............................. 129
9.1.7 Reset und Interrupts............................ 130
9.1.8 Codebeispiele................................ 133
9.2 Die MSP430CPU von Texas Instruments..................... 141
9.2.1 Übersicht.................................. 141
9.2.2 Der Registersatz.............................. 142
9.2.3 Der Adressraum.............................. 143
9.2.4 Die Adressierungsarten .......................... 144
9.2.5 Der Befehlssatz............................... 145
9.2.6 Reset und Interrupts............................ 147
9.2.7 Unterstützung für die ALU: Der Hardware-Multiplizierer....... 150
9.2.8 Codebeispiele................................ 151
9.3 Der ARM Cortex-M3................................ 156
9.3.1 Historie der ARM- und Cortex-Prozessoren............... 156
9.3.2 Übersicht.................................. 158
9.3.3 Der Registersatz des Cortex-M3 ..................... 158
9.3.4 Der Adressraum und Adressierungsarten................. 160
9.3.5 Der Befehlssatz............................... 161
9.3.6 Reset, Exceptions und Interrupts..................... 165
9.3.7 Schutzmechanismen des Cortex-M3.................... 166
9.3.8 Erstellung von Software.......................... 167
9.4 Kurzer Vergleich der drei Beispielarchitekturen................. 170
X Inhaltsverzeichnis
9.5 Aufgaben und Testfragen............................. 171
10 Speicherverwaltung 173
10.1 Virtueller Speicher und Paging.......................... 173
10.2 Speichersegmentierung............................... 177
10.3 Caching....................................... 180
10.3.1 Warum Caches? .............................. 180
10.3.2 Strukturen und Organisationsformen von Caches............ 183
10.3.3 Ersetzungsstrategien............................ 187
10.3.4 Aktualisierungsstrategien......................... 187
10.4 Fallstudie: Intel Pentium 4 (IA-32-Architektur)................. 189
10.4.1 Privilegierungsstufen............................ 189
10.4.2 Speichersegmentierung, Selektoren und Deskriptoren.......... 191
10.4.3 Paging.................................... 195
10.4.4 Kontrolle von E/A-Zugriffen ....................... 197
10.4.5 Caches.................................... 197
10.4.6 Der Aufbau des Maschinencodes..................... 198
10.5 Aufgaben und Testfragen............................. 201
11 Skalare und superskalare Architekturen 203
11.1 Skalare Architekturen und Befehls-Pipelining.................. 203
11.2 Superskalare Architekturen............................ 209
11.2.1 Mehrfache parallele Hardwareeinheiten.................. 209
11.2.2 Ausführung in geänderter Reihenfolge.................. 212
11.2.3 Register-Umbenennung.......................... 214
11.2.4 Pipeline-Länge, spekulative Ausführung................. 214
11.2.5 VLIW-Prozessoren............................. 216
11.2.6 Hyper-Threading.............................. 216
11.2.7 Prozessoren mit mehreren Kernen .................... 218
11.3 Fallbeispiel: Core Architektur der Intel-Prozessoren............... 222
11.3.1 Der 64-Bit-Registersatz.......................... 222
11.3.2 Die Entwicklung bis zu Pentium 4.................... 223
11.3.3 Die Mikroarchitektur der Core Prozessoren............... 227
11.4 Fallbeispiel: IA-64 und Itanium-Prozessor.................... 231
11.5 Aufgaben und Testfragen ............................. 235
12 Energieeffizienz von Mikroprozessoren 237
12.1 Was ist Energieeffizienz und warum wird sie gebraucht?............ 237
12.2 Leistungsaufnahme von integrierten Schaltkreisen................ 238
12.2.1 Verminderung der Leistungsaufnahme.................. 241
12.3 Das Advanced Control and Power Interface (ACPI)............... 242
12.4 Praktische Realisierung von energieeffizienten Architekturen und Betriebsarten 243
12.4.1 MikroController............................... 243
12.4.2 PC-Prozessoren............................... 244
12.4.3 Prozessoren für Subnotebooks....................... 247
12.5 Aufgaben und Testfragen............................. 248
Inhaltsverzeichnis XI
13 Single Instruction Multiple Data (SIMD) 249
13.1 Grundlagen..................................... 249
13.2 Fallbeispiel: SIMD bei Intels IA-32-Architektur................. 250
13.2.1 Die MMX-Einheit ............................. 251
13.2.2 Die SSE-, SSE2-, SSE3- und SSE4-Befehle................ 254
13.3 Aufgaben und Testfragen ............................. 256
14 Mikrocontroller 258
14.1 Allgemeines..................................... 258
14.2 Typische Baugruppen von MikroControllern................... 259
14.2.1 Mikrocontrollerkern (Core)........................ 259
14.2.2 Busschnittstelle............................... 260
14.2.3 Programmspeicher............................. 260
14.2.4 Datenspeicher................................ 261
14.2.5 Ein-/Ausgabeschnittstellen (Input/Output-Ports)............ 261
14.2.6 Zähler/Zeitgeber (Counter/Timer).................... 262
14.2.7 Analoge Signale............................... 267
14.2.8 Interrupt-System.............................. 269
14.2.9 Komponenten zur Datenübertragung................... 270
14.2.10 Bausteine für die Betriebssicherheit.................... 273
14.2.11 Energieeffizienz............................... 274
14.2.12Die JTAG-Schnittstelle .......................... 274
14.3 Software-Entwicklung ............................... 277
14.3.1 Einführung................................. 277
14.3.2 Programmstruktur............................. 278
14.3.3 Header-Dateien............................... 282
14.3.4 Die Übertragung des Programmes auf das Zielsystem.......... 284
14.3.5 Programmtest................................ 286
14.3.6 Integrierte Entwicklungsumgebungen................... 288
14.4 Fallbeispiel: Der MSP430 von Texas Instruments................ 290
14.4.1 Der Watchdog Timer-I-........................... 290
14.4.2 Digitale Ein- und Ausgänge........................ 291
14.4.3 Der Zähler/Zeitgeber Timer_A...................... 293
14.4.4 Der 10-Bit-Analog/Digital-Wandler ADC10............... 297
14.4.5 Serielle Schnittstellen ........................... 299
14.5 Aufgaben und Testfragen............................. 301
15 Digitale Signalprozessoren 302
15.1 Digitale Signalverarbeitung............................ 302
15.2 Architekturmerkmale................................ 305
15.2.1 Kern..................................... 305
15.2.2 Peripherie.................................. 308
15.3 Fallbeispiel: Die DSP56800-Familie von Freescale................ 308
15.3.1 Kern der DSP56800............................ 309
15.3.2 DSP-Peripherie am Beispiel des DSP56F801............... 313
15.4 Aufgaben und Testfragen............................. 314
XII Inhaltsverzeichnis
Lösungen zu den Aufgaben und Testfragen 315
Literaturverzeichnis 326
Sachwortverzeichnis 329
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| spelling | Wüst, Klaus Verfasser (DE-588)124796575 aut Mikroprozessortechnik Grundlagen, Architekturen, Schaltungstechnik und Betrieb von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern ; mit 44 Tabellen Klaus Wüst 4., aktualisierte und erw. Aufl. Wiesbaden Vieweg + Teubner 2011 XII, 336 S. Ill., graph. Darst. 24cm txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Studium Mikroprozessor (DE-588)4039232-6 gnd rswk-swf (DE-588)4123623-3 Lehrbuch gnd-content Mikroprozessor (DE-588)4039232-6 s DE-604 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=020768894&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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