Informatik für Ingenieure at Leibniz Universität Hannover

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Wie wird eine Instruktion ausgeführt?


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Welche Instruktion denn überhaupt?

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Wie wird ein Befehl dekodiert?

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Wie funktioniert Mikrocode bei heutigen CPU`s?

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Mehr Befehle!


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Prozessormodell: Abstrahierte Vorstellung

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Prozessormodell Nicht enthalten:


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Wie sah die Prozessorarchitektur früher aus?

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Beispiel für mächtige Instruktionen: 68000

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Wandel der Architektur

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RISC-Architektur

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Ist CISC oder RISC besser?

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Informatik für Ingenieure

Wie wird eine Instruktion ausgeführt?


Welche Instruktion denn überhaupt?
 CPU besitzt einen Zähler
(Programmzähler, program
counter, PC)
 Dieser enthält die Adresse des
nächsten Befehls
 Nach der Ausführung dieses
Befehls wird der Zähler um 1
erhöht

 Hier: als nächstes wird die
Instruktion an Speicherstelle 14
(11102) ausgeführt


Informatik für Ingenieure

Welche Instruktion denn überhaupt?

PC: 00001110

> CPU besitzt einen Zähler
(Programmzähler, program
counter, PC)


> Dieser enthält die Adresse des
nächsten Befehls


>Nach der Ausführung dieses
Befehls wird der Zähler um 1
erhöht

>Hier: als nächstes wird die
Instruktion an Speicherstelle 14
(11102) ausgeführt


Adress-Bus
Daten-Bus
Steuer-Bus


Informatik für Ingenieure

Wie wird ein Befehl dekodiert?

>  Heute: Instruktionen umfassen bei heutigen CPU‘s mehr als 8 Bit (z.B. 32 Bit, 64 Bit)


> Sie schalten beispielsweise
* welche Register an die ALU angelegt werden
* welche Operation von der ALU ausgeführt wird
*  in welchem Register das Ergebnis abgelegt wird

Informatik für Ingenieure

Wie funktioniert Mikrocode bei heutigen CPU`s?

- Viele Steuerleitungen welche viel Speicherplatz benötigen

- Steuert Maschinencode befehle und keine Steuersignale

- Maschinenbefehle sind  nur „Einsprungadressen“

- (dadurch lassen sich CPUs auch nachträglich per
Software-Update „reparieren“)

Informatik für Ingenieure

Mehr Befehle!


>  Unsere CPU kann:
* +, -, AND, NOT


> In der Realität benötigt man mehr Befehle:
* Zusätzliche Befehle der ALU: *, /, OR, XOR, ...
* Kopieren von Registern in andere Register
* Laden von Konstanten oder Löschen (Laden von Null)
* Kontrollfluss: GOTO, CALL, RETURN (Unterprogramme)
* Bedingte Operationen (in Abhängigkeit von den status bits, z.B. GOTO unter der Bedingung, dass das vorige Ergebnis Null war)
* Bit-Operationen: setze/lösche einzelne Bits
*  ...

Informatik für Ingenieure

Prozessormodell: Abstrahierte Vorstellung

*  Register
* Status bits
*  Befehle (OpCodes)

Informatik für Ingenieure

Prozessormodell Nicht enthalten:


*  Interne Busse, Schalter
* ALU
*  Phasen (der Abarbeitung)

Informatik für Ingenieure

Wie sah die Prozessorarchitektur früher aus?

>  Prozessoren wurden viel „von Hand“ (Assembler) programmiert
• Wünschenswert sind verstehbare, mächtige Instruktionen


> Arbeitsspeicher teuer
• möglichst mächtige Instruktionen, so dass Länge des
Programms minimal wird


> Arbeitsspeicher langsam im Vergleich zum Prozessor
• möglichst mächtige Instruktionen, so dass Prozessor
nicht ständig auf das Laden der nächsten Instruktion wartet

Informatik für Ingenieure

Beispiel für mächtige Instruktionen: 68000

>  MOVE-Befehl von Register zu Register (32 Bit):
* MOVE D0,D1
* Kopiert den Inhalt von D0 nach D1
* Befehl benötigt zu seiner Beschreibung 2 Bytes
* Befehl benötigt für die Abarbeitung 4 Taktzyklen


> MOVE-Befehl von Speicher zu Speicher (32 Bit):
* MOVE $x,$y
* Kopiert den Inhalt der Speicherstelle mit Adresse x in die
Speicherstelle mit Adresse y
* Befehl benötigt zu seiner Beschreibung 10 Bytes
* Befehl benötigt für die Abarbeitung 36 Taktzyklen


> DIVS-Befehl zur Division mit Vorzeichen
* DIVS $x,D0
* Dividiert Inhalt von D0 durch Inhalt von $x, Ergebnis in D0
*  Befehl 6 Bytes, Ausführung max. 170 Taktzyklen !

Informatik für Ingenieure

Wandel der Architektur

- Assembler-Code meist durch Compiler erzeugt


- Arbeitsspeicher ist nicht mehr so teuer wie früher


- Arbeitsspeicher ist langsamer als die CPU, aber
durch Cache-Mechanismen können Instruktionen schnell
genug bereitgestellt werden


- Untersuchungen zeigten:
* komplexe Instruktionen werden von Compilern selten eingesetzt
* selbst wenn sie eingesetzt werden, tragen sie wenig zur
Gesamtlaufzeit des Programms bei

Informatik für Ingenieure

RISC-Architektur

- RISC = reduced instruction set computer
*  Computer mit „reduziertem“ Befehlssatz


- Kennzeichen von RISC:
* wenige einfache Befehle, die möglichst nur einen Takt benötigen
* wenige Befehlsformate, möglichst nur eine Befehlslänge
* viele Mehrzweckregister
* nicht in jedem Befehl beliebige Speicherzugriffe
(sog. Adressierungsarten), sondern spezielle Befehle für den
Speicherzugriff

Informatik für Ingenieure

Ist CISC oder RISC besser?

>  RISC-Architekturen:
* SUN SPARC / Ultra SPARC; IBM Power, PowerPC (zus. mit
Apple, Motorola); MIPS R4000; DEC a; HP Precision
Architecture; ARM (Advanced RISC Machines)


> Typische CISC-CPU‘s
* Intel x86, Motorola 680x0


> Entwicklung:
* Viele RISC-CPU‘s konnten sich nicht durchsetzen, obwohl sie
technisch leistungsfähiger waren
* Grund: dominante Stellung von Intel x86, Personalcomputer
* Heute RISC z.B. in ARM Architektur (praktisch alle
Smartphones, Tablets)
* RISC-Konzepte wurden in neueren CISC-Prozessoren
berücksichtigt

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