16/32 bit-Mikroprozessorsysteme by Manfred Rübel

By Manfred Rübel

Das vorliegende Buch ist die Überarbeitung des Skriptes einer Vorlesung für Studenten der Universität der Bundeswehr Hamburg. Bedingt durch die Vor­ gaben des Studienplans sind den Hörern noch keine tiefergehenden information von Prozessoren, Rechnern oder der Systemsoftware vermittelt worden. Sol­ ches Wissen wird auch beim Leser dieses Buches nicht vorausgesetzt. Die Prinzipien der digitalen Schaltungstechnik sollten bekannt und erste Erfah­ rungen mit einem Rechner durch das Programmieren in einer Hochsprache sollten gemacht sein. Selbstverständlich kann es für den Leser nur von Vor­ teil sein, wenn er mit der Welt der eight bit-Prozessoren vertraut ist. Mikroprozessoren wurden in den siebziger Jahren vorwiegend für solche Steuerungsaufgaben und Problemstellungen eingesetzt, die durch ein einzel­ nes Programm gelöst werden konnten. Im Bereich der größeren Minicomputer battle es zu dieser Zeit noch üblich, die Zentraleinheit (CPU) aus vielen Inte­ grierten Schaltkreisen auf einer großen Leiterplatte aufzubauen. machine dieser artwork waren frei programmierbar und hatten intellUpfgesteuerte Betriebs­ systeme mit der Fähigkeit, mehrere Programme, ihre Ein- und Ausgaben, so­ wie die Kommunikation zwischen ihnen zu verwalten. Die Firma Motorola entwickelte mit dem M68000 einen Mikroprozessor, bei dem eine CPU vergleichbar der eines Minicomputers auf nur einem Chip in­ tegriert ist. Seine Architektur weist Merkmale auf, die ihn für eine Umgebung mit mehreren Programmen besonders geeignet erscheinen läßt; hierauf wird im Einzelfall immer wieder hingewiesen.

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0 ~,~ 32 Registersatz 1-0- (Daten) 32 ........ A i I Rechenwerk ~erand 21 OR2 (Adressen) I 32 HOperandll ORI Registersatz --+ I PSR 32 32 IDB i ~2 4" 10 - - ------;-----------------------1---- ------- ------~~I~y2r3d'MldeIO~ ------. 1 IIR 10 t Steuerlogik ~RABt4 * Daten bus n t 32 Leitwerk Adress enbus 2,,-, elo ck Steuer bus Bild 2-U, Struktur eines 10/32 bit-Mikroprozessors (Modall); ALU - Arithmetisch-logische Einheit; AR - Adreßregister; DBT - Datenbustreiber; IR - Instruktionsregister; IDB - interner Datenbus; OR - Operandenregister; PC - Programmzahler; PSR - Prozessorstatusregister; RAB - Registeradressenbus; A, 0, PC, und PSR sind vom Programmierer direkt ansprechbare Register Die ALU (Arithmetic Logic Unit, Arithmetisch-logische Einheit) ist eine kombinatorische Schaltung, mit der elementare • Rechenoperationen (Addition, Subtraktion [dual, BCD], Komplementbildung) • logische Operationen (bitweise AND, OR, XOR sowie Schiebe- und Rotationsbefehle) durchgeführt werden.

Bild 2-11 zeigt die prinzipielle innere Struktur eines 16 bit-Mikroprozessors. Moderne 16 bit-Prozessoren haben intern eine 32 bit-Architektur, um Langwortoperationen direkt durchführen zu können; dies bedeutet, daß ein 32 bit breiter interner Datenbus (lOB) die meisten Einheiten verbindet. Je nach durchzuführender Operation werden davon nur die unteren 8 oder 16 oder aber alle 32 bit benutzt. Der Registersatz ist aufgeteilt in einen Satz 0, in dem bevorzugt Daten (also die Operanden selbst oder Ergebnisse) und einen Satz A, in dem bevorzugt Adressen der Operanden enthalten sind.

Die in geordneter Folge als Programm im Speicher enthalten sind. Sie werden sequentiell. also nacheinander. aus dem Speicher in den Mikroprozessor geholt und ausgeführt. Programmverzweigungen treten auf. wenn nach einer Anweisung nicht die unmittelbar folgende ausgeführt. sondern zu einer an anderer Stelle stehenden verzweigt wird. In o. a. Beispiel kann geprüft werden. ob der A/D-Wandler seinen Maximalwert ausgibt. In diesem Fall kann eine Übersteuerung vermutet werden. die nicht zur Berechnung und Anzeige der Spannung (normaler ProgrammablauO.

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