Prozessorarchtektur history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 25.10.08 17:29:17
Register sind schnelle Zwischenspeicher für prozessorinterne Operanden. Einige Register sind dabei sowohl Quelle als auch Ziel von Operationen - man nennt sie Akkumulatoren. Deren Anzahl und Bitbreite ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines Prozessors. Eine ganze Reihe von Funktionen ist überhaupt nur von diesen Spezialregistern aus möglich.

  1. Aufbau und Funktion eines Registersatzes
  2. Ausgewählte Registerstrukturen
  3. Spezialregister und Zugriff auf automatisierte Speicherbereiche
  4. Z80-Registersatz
  5. Verwandte Themen

Prozessoraufbau

 

Logo Mikroprozessorarchitektur

begrenzt verwendbar - selbst aufpassen, ab welcher Stelle es Blödsinn wird ;-)

Wissen für Fortgeschrittene der Informatik

Informatik-Profi-Wissen

Otto G. Folberth hat unterschiedliche Eigenschaften von Menschen und herkömmlichen Computern mit wenigen Worten prägnant dargestellt:

Die traditionellen Geräte und Systeme der Daten- und Informationsverarbeitung - die „Computer“ - sind in ihrer Handhabung stark von ihren immanenten Strukturen und Fähigkeiten bestimmt. Diese sind fundamental verschieden von den menschlichen Fähigkeiten und Vorgehensweisen, ja sie sind - in gewisser Beziehung - oft komplementär zu diesen (siehe Tabelle). Das bedeutet, dass sich der Mensch, der sich solcher Maschinen bedient (der „Operator“), den Idiosynkrasien (Überempfindlichkeit) dieser Maschinen weitgehend anpassen muss, um sie effektiv nutzen zu können. Hierfür ist eine nicht unbeträchtliche Expertise erforderlich, die nur in einer aufwendigen Ausbildung (z. B. das Programmieren in Maschinensprache“) erworben werden kann und die nur bei einem hohen Stand an minutiösem, fehlerfreiem Handeln brauchbare Resultate liefert.

Friedrich Gasper, Ina Leiß, Mario Spengler, Hermann Stimm; „Technische und Theoretische Informatik“; Bayrischer Schulbuchverlag München; 1. Auflage 1992; S. 64 ff.


1. Aufbau und Funktion eines Registersatzes history menue scroll up

Register sind so etwas wie de Variablen in einer Hochsprache auf niedrigster Ebene jegliche hardwarenahe Programmierung wird nur über die Register erledigt (mehr ist nicht da!), vergiss allerdings Arrays oder gar dynamische Datenstrukturen - sie sind da, aber zusammenstellen, sprich deklarieren musst Du sie Dir schon selbst. Spezielle Funktionen übernahmen dabei immer die Akkumulator-Register - sie sind Quelle eines der beteiligten Operanden und Ziel des Ergebnisses einer arithmetisch/logischen Operation. Akku's kann man gar nicht genug haben. Begnügten sich ältere CPU's noch mit einem Akkumulator, so statten die modernen CPU's prinzipiell fast alle Register mit Akkumulatorfunktion aus. Eventuell muss diese softwaretechnisch zu geschalten werden - ist also nicht von Hause aus präsent.

Viele Zeitgeist-Kritiker beklagen, dass die Zeit der großen Kunstwerke endgültig und für immer vorbei sei. Wer baut heute so etwas wie die Kathedrale von Notre-Dame? Wer fertigt Gemälde an, wie sie in der Sixtinischen Kapelle zu sehen sind? Wer komponiert ein Heldenstück wie die Götterdämmerung? Doch andere meinen, das künstlerische Schaffen der Menschen hätte sich in unserer Zeit auf andere Bereiche verlagert. Zu den größten Kunstwerken, so die Meinung dieser aufgeschlossenen Zeitgeist-Interpreten, gehören die moder­nen Mikroprozessoren. Wer sich den Lageplan eines solchen Prozessors einmal angesehen hat, kann diese Auffassung bestätigen.
Aber Mikroprozessoren - die winzigen Tierchen, die unsere Computer zum Laufen bringen - wurden nicht als Kunstwerke konzipiert. Sie dienen ganz bestimmten Zwecken: Sie sollen unsere Rechner schneller und leistungsfähiger machen. Und das haben sie in einem Maße erreicht, wie es in der Technikgeschichte einzigartig ist. Es gibt die Rechnung, wonach die Leistungsfähigkeit der winzigen Elektronengehirne
in den zehn Jahren von 1970 bis 1990 so enorm gestiegen ist, dass im Vergleich dazu ein Auto nur noch so groß wie eine Streichholzschachtel wäre, nur noch 10 Mark kosten würde und mit einem Tropfen Benzin tausend Kilometer fahren könnte. Dabei sind die nächsten zehn Jahre noch gar nicht berücksichtigt.
Doch wir können vernünftigerweise nur die Rechenleistung von Computergehirnen miteinander vergleichen In Amerika begann die Geschichte der Datenverarbeitung
mit der monströsen ENIAC aus dem Jahre 1946. Mit 18 000 Radioröhren und einer Platzbedarf von ungefähr 15 mal 15 Mete leistete sie etwa so viel wie die ersten elektronischen Taschenrechner, die mit Transistoren bestückt waren. Der Platzbedarf verringerte sich etwa um den Faktor 1 : 1 Milliarde, der Energiebedarf sank auf ei Millionstel, so dass insgesamt ...  Aber unter solchen Zahlen können wir uns ohnedies nichts vorstellen. Schauen wir uns lieber an, wie es zur Entwicklung der modernen Mikroprozessoren kam.
Es waren zwei Erfindungen, die den gewaltigen Aufschwung der Mikroelektronik überhaupt erst möglich gemacht haben. Zum einen wurden die großen, stromfressenden und hitzeerzeugenden Röhren durch kleine, kühle, energiesparende Transistoren ersetzt. Aber erst als es den Ingenieuren Jack Kilby und Robert Noyce unabhängig voneinander gelang, einzelne Transistoren durch feine Germanium bzw. Silicium geätzte Strukturen zu ersetzen, erst da war es möglich, zunächst Dutzende. später Zehntausende, heute Millionen von Transistoren auf einem fingernagelgroßen Plättchen aus Silicium zu vereinen Der moderne Mikroprozessor war geboren. Die Firma Intel, von Noyce mitbegründet, wurde dabei zum Marktführer. Dazu hatte wesentlich auch IBM beigetragen. Denn als diese Computerfirma sich entschloss, ebenfalls einen Personal Computer auf den Markt zu bringen, da entschied sie sich für Prozessoren von Intel. So begann der unaufhaltsame und bisher krisenlose Aufstieg der Prozessor-Familie, die irgendwo im Namen eine »8« hat: 8008 (1972), 8080 (1974), 8086 (1978; 29 000 Transistoren), 80286 (1982; 134 000 Transistoren), 80386 (1985; 275 000 Transistoren), 80486 (1989; 1,2 Millionen Transistoren).
Und im März 1993 - nein, nicht der 80586, sondern ein neuer Name: Pentium, der fünfte, doppelt so schnell wie der Vorgänger, mit fast dreimal so vielen Transistoren (3,1 Millionen), das sind etwa 15 000 Schaltelemente pro Quadratmillimeter. Ist er tatsächlich etwas ganz Neues, wie die Entwickler behaupten? Im Prinzip nein, würde Radio Jerewan antworten, aber ... Um das zu entscheiden, schauen wir uns einfach an, was dieser Prozessor alles macht und wie er sich von seinen Vorgängern unterscheidet.
Betrachtet man das Foto des Prozessors (siehe vorige Seite), dann fällt auf, dass es Abschnitte gibt, die sehr gleichmäßig aussehen, wie Ackerflächen von oben. Zum Beispiel ist fast die ganze linke Seite von gleichförmigen Flächen durchzogen. Andere Stellen dagegen erscheinen sehr differenziert, beispielsweise das Feld in der Mitte oben mit der Bezeichnung »Befehls-Interpreter«, oder der Teil rechts oben mit der Bezeichnung »Verzweigungsvorhersage«. Der Grund für diese sichtbaren Unterschiede: Gleichmäßige Flächen bestehen aus gleichen Zellen, nämlich aus Speicherzellen. Ungleichmäßige Flächen sind aus vielen verschiedenen Elementen aufgebaut, nämlich den eigentlichen Steuer- und Recheneinheiten, also dem »Gehirn« des Chips.
Der erste Blick auf den Chip überrascht also: Der Großteil des Prozessors besteht aus passivem Speicher! Das eigentliche Gehirn, also der aktive Teil, nimmt nur 8 Prozent der gesamten Chipfläche ein. Diesen Teil nennt man »Central Processing Unit«, Zentraleinheit des Prozessors, abgekürzt CPU.  Doch wozu braucht man dann den Rest?
Man kann einen Mikroprozessor mit einer Firma vergleichen. Wird die Firma neu gegründet - das entspricht der Erfindung des Mikroprozessors in den sechziger Jahren -, dann kommt es vor allem auf die Ideen und Einfälle des Unternehmers und der Firmenleitung an. Die Firmenleitung entspricht der CPU Mit anderen Worten: In der Frühzeit der Mikroprozessoren bestand ein Chip hauptsächlich aus der CPU.
Wächst die Firma, verliert der tägliche Ideenstrom des Firmengründers seine Bedeutung. Wichtiger werden jetzt interne Organisation, Lagerhaltung (entspricht dem Speicher), Vertrieb, Marketing, Finanzplanung und Strukturierung des Gesamtablaufs. Das sind alles Dinge, die mit dem eigentlichen Produkt der Firma - im Falle des Mikroprozessors sind das Zahlen - gar nichts zu tun haben. Verwaltung geht vor Kreativität, so könnte man die Entwicklung bei einer Firma, aber auch im Bereich der Mikroelektronik, nennen. Doch eine gut durchdachte Verwaltung führt auch zu einer hohen Steigerung der Effektivität.
Damit wir uns nicht im Allgemeinen verlieren, stürzen wir uns am besten mitten ins Geschehen, das wir in extremer Zeitlupe betrachten müssen. Denn jeder Prozessor hat einen internen Takt, genauso wie das menschliche Nervensystem. Dieser Takt wird durch einen Zeitgeber (einen schwingenden Quarzkristall) vorgegeben. Ein Takt ist die kleinste Zeiteinheit, in der eine Operation ablaufen kann. Zum Beispiel In einem solchen Zeittakt wird ein Bit, also eine Informationseinheit, von einem Speicherplatz zu einem anderen befördert, oder ein Bit wird zu einem anderen addiert.
Der Zeitgeber des Pentium schwingt mit 66 Megahertz (MHz), und das ist doppelt so schnell wie sein Vorgänger. So könnte man naiver weise annehmen, dass er auch doppelt so schnell »denkt« wie sein Vorgänger. Das stimmt tatsächlich. Aber die Taktfrequenz ist nur ein Teil dieser Leistungsverbesserung. Ein Taktlänge ist der 66millionste Teil einer Sekunde, das liegt in der Größenordnung von einer hundertmillionstel Sekunde. Wir müssen also schwer aufpassen, wollen wir mitkriegen, was sich da alles abspielt.
Und was geschieht in einem Takt? Wir sagten es schon: Ein Befehl wird ausgeführt.
Doch das stimmt im allgemeinen nicht. Befehle sind nicht so simpel; viele von ihnen enthalten mehrere Schritte. Das verzögert die Ausführung, denn andere Befehle warten, bis der erste Befehl korrekt zu Ende bearbeitet wurde. 
Deshalb erfanden die Hersteller von Großrechnern und »Workstations« (sehr schnelle Spezialrechner für Grafik Aufgaben) eine neue Form der Befehlsausführung, die sie RISC nannten. Das hat nichts mit Risiko zu tun. Im Gegenteil. Es bedeutet wie üblich in der Datenverarbeitung, eine Abkürzung, nämlich »Reduced Instruction  Computing«, also einen reduzierten Befehlssatz. Die Reduktion besteht darin, dass nur noch Befehle zugelassen werden, die in einem einzigen Takt vollständig ausgeführt werden können.
Dadurch wird alles viel schneller. »RISC« wurde das Zauberwort der achtziger Jahre wer es aussprach, hatte im harten Wettbewerb der Computerfirmen gewonnen. Doch die Firma Intel hatte keinen RISC-Prozessor.
Sollte man dieses Verfahren in den Pentium einbauen? Innerhalb der Firma entbrannte ein großer Streit. Es wäre nicht schwierig gewesen, alle Instruktionen zu vereinfachen. Nur: Die bisherigen Programme wären dann nicht mehr gelaufen. So einigte man sich auf einen Kompromiss, vereinfachte manche Befehle, achtete aber immer auf »Kompatibilität«, das heißt darauf, dass alle bisherigen Befehle auch weiterhin vom Prozessor verstanden wunden.
Doch zurück zu dem, was innerhalb eines Prozessors geschieht. Will man das beschreiben, muss man Vergleiche ziehen, sonst wird die Sache zu abstrakt. Aber womit sollen wir die Vorgänge innerhalb eines Elektronengehirns gleichsetzen? Die Bezeichnung, auch wenn sie unberechtigt ist, legt es nahe, eiern Mikroprozessor mit den Vorgängen mit menschlichen Gestirn zu vergleichen. Doch diesen Vergleich bringt nichts. »Hardware« (materielle Grundlagen der Datenverarbeitung) und »Software« (Art der Programmierung) sind zu verschieden.

Erstaunlicherweise führt ein anderer Vergleich zum Erfolg, nämlich der mit dem Straßenverkehr: Stellen Sie sich vor, Sie wollen ein großes Möbelkaufhaus im Industrieviertel einer Kleinstadt in der Nähe der Autobahn besuchen.
Dazu steigen Sie in Ihr Auto, fahren es aus der Tiefgarage und begeben sich frohgemut auf die Autobahn. Obwohl Ihr Wagen mühelos 220 Stundenkilometer schafft, müssen Sie im Schneckentempo vorwärts kriechen, denn die Fahrbahnen sind auf dieser Strecke und zu dieser Zeit natürlich wieder mal total verstopft, Der Stau ist auf dem Kaufhaus-Gelände leider nicht zu Ende.
Zwar wurden die Wege dort schon so schmal wie möglich angelegt - schmaler geht's nicht -, aber es sind immer noch zu wenige.

Endlich im Kaufhaus angekommen, parken Sie Ihr Gefährt in der geschäftseigenen Tiefgarage. Dann holen Sie sich einen Katalog und versuchen herauszufinden, wo die von Ihnen gewünschten Gegenstände zu finden sind. Haben Sie alles zusammen, zahlen Sie an der Kasse (glücklicherweise gibt es mehrere davon), gehen dann zur Warenauslieferung, holen Ihren PKW, fahren ihn kurz zum Beladen vor und verlassen das Kaufhausgelände, um frohgemut die Autobahn für den Heimweg zu benutzen. Aber leider sind Sie nicht der einzige, so dass Sie wieder in einen Stau geraten.
Jetzt übertragen wir das alles auf den Mikroprozessor. Den eigenen PKW identifizieren wir mit Daten, im allgemeinen also Zahlen. Genauer gesagt: Bits, also Nullen oder Einsen. Alles fängt damit an, dass der Prozessor sein erstes Datum aus dem Arbeitsspeicher holt. Das wird der erste Befehl für ein Programm sein, aller Wahrscheinlichkeit nach für das Betriebssystem, also das Programm, das alles verwaltet. Der Arbeitsspeicher ist ein eigener Bauteil; er befindet sich also nicht auf dem Prozessor-Chip. In unserem Vergleich entspricht eine Zelle des Arbeitsspeichers unserer »Zelle« in der Tiefgarage.
Nun gelangen die Daten überreine relativ lange Leitung vom externen Arbeitsspeicher zum Prozessor. Diese Leitung nennt man »Bus«. Der Datenbus entspricht der Autobahn. Und auch die Probleme sind die gleichem Der Bus ist meist viel zu langsam und immer verstopft. Wirkliche Geschwindigkeitsverbesserungen erhält man bei Mikroprozessoren nur dadurch, dass man den Bus verbreitert - genau wie bei der Autobahn: je mehr Spuren, desto mehr Verkehr kann fließen, desto geringer die Wahrscheinlichkeit eines Staus. Und erst dann, wenn die Autobahn breit genug ist, kann die interne Kraft eines PKWS, also seine Geschwindigkeit, voll ausgenutzt werden. Genauso verhält es sich beim Prozessor. Was hilft eine hohe Taktfrequenz, wenn sich die Daten vor dem Bus stauen.
Der Datenbus des Pentium ist doppelt so breit wie der seines Vorgängers: In einem Takt können 64 Bit übertragen werden. Das sagt nicht viel Wir kommen weiter, wenn wir die Bits in Bytes umwandeln. Das geht nicht ohne Rechnen Ein Byte besteht aus 8 Bit und ist am besten mit einem Zeichen (nun Beispiel einem Buchstaben) vergleichbar. Pro Takt kann also der Pentium-Bus 64: 8 = 8 Byte verarbeiten Das können Befehle sein (1 Byte = 1 Befehl) oder Zahlen, wobei die Byte-Länge einer Zahl von ihrer Genauigkeit abhängt. Aber glauben Sie nicht, dass diese 64 Bit ausreichen! Der Datenbus bleibt bis auf weiteres der Engpass eines jeden Mikroprozessors.
Doch weiter im Vergleich. Als erstes werden die Daten sozusagen kurzzeitgeparkt. Dieser Kurzzeit-Parkplatz heißt bei einem Prozessor »Cache«. Dabei kann das Bus-Interface, eine Art Bus-Verwaltung, unterscheiden, ob die Daten Zahlenwerte oder Befehle darstellen.
Danach werden sie umgeleitet in den Code-Cache (Befehle) oder den Data-fache (Zahlen). Beide Kurzzeitspeicher können bis zu 8 Kilo Byte (KB) zwischenspeichern Eine solche Aufteilung würde im Kaufhaus etwa verschiedenen Zufahrtswegen für Kunden und für Lieferanten entsprechen.
Noch eine Analogie: Die schmalen Wege im Kaufhausgelände entsprechen den Leiterbahnen auf dem Chip. Sie entstehen durch Aufdampfen von Aluminium-Schichten. Nehmen wir mm an, ein hereinkommendes Datum wäre ein Befehl, der im Code-Cache abgelegt wurde. über einen besonders breiten Bus von 256 Bit holt sich der »Instruction Fetch« (=Befehls-Grabscher«) den Befehl und legt ihn im »Prefetch Buffer« (Befehls-Zwischenspeicher) ab. jetzt muss der Befehl entschlüsselt und ausgeführt werden, die eigentliche Arbeit des Prozessors.
Dazu wird der Befehl mit einer internen Befehlstabelle verglichen - das entspräche dem Nachschlagen im Whrenhaus-Katalog -, und zwar im Teil »Instruction Decode« (Befehls-Interpreter). Danach wird der Befehl ausgeführt.
Da gibt es zwei Möglichkeiten. Denken Sie wieder an das Kaufhaus. Sie können ein bestimmtes Möbelstück suchen, um es zu betrachten. Dazu brauchen Sie seine »Adresse«, also Angaben, wo Sie es finden.
Das entspricht der »Adresse« im Mikroprozessor, mit der angegeben wird, wo und in welchem Speicher eine Zahl zum Rechnen zu finden ist, oder der nächste Befehl.
Oder aber Sie nehmen aus der Grabbelkiste irgendeinen Gegenstand, der zum Sonderangebot gehört, und legen ihn in Ihren Einkaufswagen Wenn der Wagen nicht ausreicht, dann nehmen Sie eben einen zweiten Das entspricht im Mikroprozessor einem Rechenbefehl Beim Rechnen werden meist zwei oder mehr Zahlen miteinander verknüpft (Ausnahme: Eine Zahl wird um eins erhöht). Diese Zahlen kommen in sehr kleine, aber sehr schnelle Spezialspeicher, und die nennt mm »Register«. Sie entsprechen dem Einkaufswagen: schnell, klein, wendig, aber nur für kurze Zeit im Einsatz.
Es kann aber auch sein, dass ein Möbelstück vor der Lieferung noch bearbeitet werden muss, indem es mm Beispiel im Kaufhaus zusammengebaut oder mit anderen Elementen kombiniert wird. Auch dafür gibt es mm Entsprechung im Mikroprozessor. Wenn mit Gleitkommazahlen gerechnet wird, dann steht dazu eine eigene Einheit zur Verfügung, die »Floating Point Unit« (Gleitkomma-Recheneinheit).
Sie ist darauf spezialisiert, Kommazahlen zu addieren, zu subtrahieren, zu multiplizieren oder zu dividieren Außerdem sind in der Einheit Rechenwerke fest verdrahtet, also im Silicium eingeschmolzen, die häufig gebrauchte Funktionen berechnen, zum Beispiel die Wurzel ziehen oder einen Sinus ausrechnen Bevor Sie zur Kasse gehen, ist Ihre Intelligenz gefragt: An welcher Kasse stelle ich mich an, damit es am schnellsten geht?
Auch diese Überlegungen stellt der Pentium an. Die »Branch Prediction Logik« (Verzweigungsvorhersage) überlegt, wo der nächste Befehl stehen könnte. Normalerweise läuft ein Programm sequentiell, also ein Befehl folgt dem nächsten. Doch jeder, der schon einmal programmiert hat (egal, in welcher Sprache), weiß, dass es auch bedingte Sprünge gibt. Der nächste Befehl hängt dann von Bedingungen ab, die zur der Zeit, in der das Programm geschrieben, wird, nicht bekannt sind.
Aufgrund einer intern geführten Verzweigungsstatistik entscheidet der Prozessor dann, welcher der nächste Befehl sein könnte. Untersuchungen ergaben: In 90 Prozent aller Fälle hat der Prozessor recht, und das beschleunigt die Ausführungsarbeit für Befehle ganz erheblich.
Sind Sie endlich an der Kasse fertig, dann fahren Sie kurz vor die Laderampe, packen alles ein und machen sich auf den Nachhauseweg. Die Laderampe entspricht den Registern. Alle Daten, die dort zwischengespeichert werden, müssen das Register schnell wieder verlassen, denn neue Daten warten bereits.
Zurück zum Auto. Haben Sie sich auch schon mal vor einer Waschstraße geärgert, weil alles so lange dauert? Angenommen, es gibt fünf Waschgänge. Dann müssen Sie normalerweise warten, bis das Auto vor Ihnen alle fünf Waschgänge absolviert hat.
Erst dann kommen Sie an die Reihe. Dabei ginge alles viel schneller, würde man die Autos im Fließbandverfahren abfertigen:
Wenn der erste Wagen den ersten Waschgang durchlaufen hat, kann bereits der zweite diesen Platz einnehmen.
Genau die gleichen Überlegungen hat man bei der Ausführung von Befehlen durch den Mikroprozessor angestellt und auch schon beim 80486 eingebaut. Ein Befehl durchläuft normalerweise 5 Stufen, und zwar:

  • Stufe 1: Der Befehl wird aus dem Arbeitsspeicher, also vom Programm, hereingeholt.

  • Stufe 2: Seine Bedeutung wird entschlüsselt, der Befehl wird, wie man sagt, decodiert oder interpretiert. Die Bedeutung wird durch Vergleich mit einer internen Tabelle erkannt.

  • Stufe 3: Die Adresse für eine Zahl, die im Befehl vorkommt, wird berechnet. Es wird also festgestellt, wo die Zahl im Arbeitsspeicher steht, die beispielsweise bei einer Schleife um 1 erhöht werden soll. Diese Zahl

  • wird dann in ein Register, also in einen schnellen Zwischenspeicher, übertragen.

  • Stufe 4: Der Befehl wird ausgeführt, also beispielsweise zu der Zahl im Register eine 1 addiert.

  • Stufe 5: Das Ergebnis wird in den Speicher zurückgeschrieben. Jetzt hat man das Konzept der »Pipeline« eingeführt. Eine Pipeline ist eine Art Fließband für Befehle. Statt dass der Prozessor die fünf Schritte abwartet, werden die Befehle der Reihe nach einfach durch die Pipeline geschleust. Die Wartezeiten entfallen. Neu beim Pentium - Er hat zwei Pipelines, und zu jeder Pipeline gehört ein eigenes Rechenwerk. Es werden jeweils zwei Befehle gleichzeitig bearbeitet, wenn das möglich ist. Das heißt, wenn sie nicht voneinander abhängen. Das erhöht die Geschwindigkeit wieder um ein Stück.

Schließlich verfügt der Pentium auch noch über interne Vorkehrungen für Parallelverarbeitung von Programmen. Der Fachausdruck dafür: »Multi-Tasking« oder »Multi-Processing« (mehrere Aufgaben werden gleichzeitig bearbeitet). Dazu ist eine Art Kreuzungsregelgung mit Verkehrsampeln nötig. Denn wenn das eine Programm Daten über den Bus anfordert und ein Register schreibt, dürfen diese Hilfsmittel (»Ressourcen«) nicht anderweitig belegt werden, sonst gibt's Konflikte, die zum berüchtigten Absturz des Computersystems führen. Solche Möglichkeiten können aber nur Systeme ausnutzen, die zum Multitasking fähig sind. Das ist derzeit nur das neue Windows NT und Unix.
Und wie geht es weiter? Der Nachfolger zum Pentium, der P6, ist schon in Arbeit, dessen Nachfolger, der P7 wird gerade entworfen. Aber da tauchen einige technische Schwierigkeiten auf. Zum Beispiel: Die Verbindungswege zwischen den Transistoren sind beim Pentium 0,8 Mikrometer (
:) dünn. Ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter. Die vielfältigen Strukturen auf dem Chip werden durch Belichtung einer lichtempfindlich Schicht erzeugt. Und in dieser Größenordnung macht sich der Wellencharakter des Werkzeugs »Licht« bereits bemerkbar. Es wird durch Beugungserscheinungen unscharf. Will man noch schmalere Wege einätzen - und das maß man, wenn man die Packungsdichte weiter steigert -, dann muss man ein anderes Werkzeug benutzen etwa UV-Licht, Elektronen- oder Röntgenstrahlen.
Doch es geht auch mit gewöhnliche Licht, und zwar mit Hilfe eines genialen Tricks: Statt dass man die scharfen Kontur der Leiterbahnen auf das Silicium projiziert entwirft man gleich ein verschwommen Bild (ein Beugungsbild, wie die Physiker sagen). Dieses verschwommene Bild verschwimmt durch die Wellennatur des Lichtes noch weiter - und wird damit wieder klar! Mit Licht kann man viel zaubern.
So hoffen die Techniker, bis 0,6 oder gar 0,4 Mikrometer schmale Wege erzeugen können.
Das zweite Problem ist die Taktfrequenz. Bei etwa 90 MHz beginnen die Rundfunkwellen. Auch hier taucht das gleiche Problem auf wie beim Licht: Elektronenströme sind nicht mehr nur als Teilchenströme zu sehen; ihr Wellencharakter muss ebenfalls berücksichtigt werden. Und da kommt eine Reihe neuer Probleme auf die Techniker zu.
Eines der geringsten: Wie kann man den Chip abschirmen, damit er den normal Rundfunkempfang nicht stört?
Schließlich macht auch die Hitze dem Chip zu schaffen. Bei einer so hohen Dichte werden die Transistoren heiß; ausfallen darf aber kein einziger. Vielleicht genügt ein richtig montierter Ventilator. Vielleicht aber muss der Chip der Zukunft intern irgendwie gekühlt werden. Und das kann teuer werden. Warten wir's ab!

Peter Ripota

einige CPU's können ihren Hauptregistersatz umschalten auf einen Alternativsatz, welcher dann bis zu einem weiteren Umschalten als Hauptregistersatz fungiert
befehlsweise und/oder per Struktur können Register auch zu Gruppen zusammengefasst werden und somit ist die Datenbreite automatisch verdoppelt


2. Ausgewählte Registerstrukturen history menue scroll up

Da nur die CPU in der Lage ist, arithmetische Berechnungen sowie logische Verknüpfungen von Bitmustern durchzuführen, unterscheiden sich Aufbau und Funktion ganz wesentlich von den Programmierungsregistern externer Geräte.
Der Akkumulator ist ein aus mehreren Flipflops bestehendes Register für spezielle Anwendungen. Die Anzahl der Flipflops entspricht der Wortlänge des Mikroprozessors. Normalerweise speichert er einen Operanden, der in der ALU verarbeitet werden soll. Aber auch das Ergebnis einer arithmetischen bzw. logischen Operation wird ihm zugeführt.

Auszeichnungsregister sind die Akkumulatoren - sie stellen immer den linken der beteiligten Operanden - somit bei Subtraktionen immer den Minuenden

  • sie werden in der Assemblernotation nicht explizit angegeben - müssen streng genommen aber mit in die Notation einbezogen werden SUB C steht also eigentlich SUB A, C
  • sie enthalten immer das Ergebnis einer arithmetischen oder logischen Operation
für die Mehrzahl der "datenverändernden" Befehle stellt das "Standardregister" einen der beteiligten Operanden
weitere Register sind funktionsgebunden - d. h., einige Befehle arbeiten automatisch mit eben diesen
  • DJNZ - also Decrement and Jump relative on Not Zero verwendet automatisch Register B als Decrementor und Zero-Kennung
  • auch die LDIR sowie OTIR (aber auch die äquivalenten Decrement-Befehle) verwenden die Registerpaare BC, DE, sowie HL


3. Spezialregister und Zugriff auf automatisierte Speicherbereiche history menue scroll up

Zu den Spezialregistern gehören all diejenigen CPU-internen Speicherplätze, welche nicht oder nicht direkt vom Programmierer in seine Algorithmen einzubeziehen sind oder dies nicht sollten.
FLAG-Register
Indexregister
Programcounter

Programmzähler (PC Programm counter)

Der Programmzähler (auch Befehlszähler genannt) sorgt dafür, dass der Mikroprozessor stets weiß, unter welcher Adresse der nächste zu holende und zu verarbeitende Befehl zu finden ist. Zu Beginn einer Programmabarbeitung wird er in der Regel nullgestellt und während der Abarbeitung jedes Befehlsbytes um Eins erhöht, da das Programm normalerweise in aufeinander folgenden Speicheradressen enthalten ist. Eine Abweichung vom üblichen inkrementellen Ablauf tritt bei Sprungbefehlen auf. Hierbei wird der Programmzähler mit derjenigen Speicheradresse geladen, zu der gesprungen werden soll. Ein 16-bit-Programmzähler kann 216 = 65 536 Speicherplätze adressieren.

Stackpointer
Refresh-Register
Interruptstatus-Flip-Flop


4. Z80-Registersatz history menue scroll up

Bedingt durch seine 8-Bit Struktur sowie die kleine Anzahl von Registern ist die Z80-CPU relativ einfach aufgebaut. Dennoch stellt er für die Industrie bis in die Gegenwart in Form von Einchip-Controllern eine sinnvolle Alternative dar. Die vor allem, weil auf seiner Hardware mit CPM das letzte fehlerfreie Betriebssystem existierte.
Huapt- und Alternativregistersatz
Indexregister


5. Verwandte Themen history menue scroll up

Was ist alles mit dem Betriebssystem eines Microcomputers verwandt? Antwort: faktisch der gesamte Bereich der Digitalelektronik und sowieso die gesamte Technik der Software-Technologie der Vergangenheit, Gegenwart sowie zumindest der nächsten Zukunft.
Bereich Mikroprozessortechnik

... und so funktioniert ein Computer

Prozessoraufbau für Fortgelaufene ;-)

BUS-Systeme

Flags

Cash-Speichero

Befehlspipeling

Stack-Operationen

   

der LC-80

POLYCOMPUTER

Z80-CPU

Mnemonic-Code-Notation

höhere Programmierwerkzeuge

... und so funktioniert ein Computer

 

die beliebte alphabetisch sortierte Schnell-Liste

die beliebte numerisch sortierte Schnell-Liste

Allgemeine FLAG-Wirkung

FLAG-Wirkung auf OP-Code-Gruppen

Alphabetisch sortierte Dokumentation

FLAG Teile I

FLAG Teile 2

Allgemeine Funktionssymbolik

Der LC-80 Simulator

Blockschaltbild eines Einchiprechners

   

Computergeschichte

von-Neumann-Architektur

Logo der Parallelrechnersystemee

Betriebssysteme

   


zur Hauptseite
© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost am 25. Oktober 2008

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

Diese Seite wurde ohne Zusatz irgendwelcher Konversationsstoffe erstellt ;-)