vorlesungen im ws 2002/2003 mikrorechnertechnik i uwe brinkschulte universität karlsruhe institut...
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Vorlesungen im WS 2002/2003
Mikrorechnertechnik I
Uwe Brinkschulte
Universität Karlsruhe
Institut für Prozessrechentechnik, Automation
Mikrocontroller und Mikroprozessoren
Theo Ungerer
Universität Augsburg
Institut für Informatik
2Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
Allgemeines
Gemeinsame Televorlesung Karlsruhe / Augsburg
Karlsruhe Augsburg
Prof. Dr. U. Brinkschulte Prof. Dr. Th. Ungerer
[email protected] [email protected]
Sprechstunde: Sprechstunde:
Donnerstag, 10:00 - 11:30 Dienstag, 10:30-11:30
Zi. 119, Gebäude 40.28 Zi. 403, Geb. Eichleitnerstr.30
3Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
Allgemeines
Buch zur Vorlesung:
Brinkschulte, Ungerer
Mikrocontroller und Mikroprozessoren
Springer Verlag, Heidelberg, 2002
4Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
Vorlesungsziele
Grundlagen der Mikrorechnertechnik
Aufbau und Funktionsweise von Mikroprozessoren
Aufbau und Funktionsweise von Mikrocontrollern
Beispiele heutiger industrieller Mikroprozessoren und -
controller
Stand der Forschung und Zukunftstechnolgien
Vermittelt werden sollen:
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Vorlesungsziele
Zusammenspiel der Komponenten eines
Mikrorechnersystems
Bussysteme, Peripherie, modularere Systemaufbau
Signalprozessoren
Einsatz und Aufbau von Feldbussen
Dienstkonstruktion für mikrorechnergestützte
Automatisierungssysteme
Vorlesung Mikrorechnertechnik II (Sommersemester in Karlsruhe)
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Vorlesungsinhalte und -strukturierung
1. Grundlagen
2. Grundlegende Prozessortechniken
3. Mikrocontroller
4. Mikrocontroller-Komponenten
5. Beispiele verschiedener Mikrocontroller
6. Hochperformante Mikroprozessoren
7. Die Superskalartechnik
8. Beispiele verschiedener Mikroprozessoren
9. Zukunftstechniken
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1. Grundlagen
1.1Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Signalprozessoren und SoC
Einige grundlegende Begriffe zu Mikroprozessoren
Mikroprozessor:
Zentraleinheit eines Datenverarbeitungssystems
heute meist mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Chip untergebracht
Zentraleinheit = CPU, Central Processing Unit
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1. Grundlagen
Basiskomponenten eines Mikroprozessors
Rechenwerk
Steuerwerk
Schnittstelle zur Außenwelt
Weitere Komponenten (je nach Komplexität)
Cache
Virtuelle Speicherverwaltung
Prozessorkern
Ziel: möglichst effiziente Ausführung eines Programms
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1. Grundlagen
Weitere Begriffe:
Mikroprozessorsystem
Technisches System, welches einen Mikroprozessor enthält. Dies muss kein Rechner sein.
Mikrorechner (Mikrocomputer)
Rechner, der als Zentraleinheit einen oder mehrere Mikroprozessoren enthält.
Enthält weiterhin Speicher, Ein-/Ausgabeschnittstellen sowie ein Verbindungssystem.
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1. Grundlagen
Mikrorechnersystem (Mikrocomputersystem)
Mikrorechner mit an die Ein-/Ausgabeschnittstellen angeschlossenen Peripheriegeräten,
z.B. Maus, Tastatur, Bildschirm, Drucker, ...
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1. Grundlagen
Verbindungseinrichtung
Zentraleinheit
Steuerwerk Rechenwerk
Speicher(für Programme und
Daten)
Ein-/Ausgabe-
Schnittstellen
Peripherie-Geräte
Mikroprozessor
Mikrorechner
Mikrorechnersystem
Prozessorkern
12Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
1. Grundlagen
Mikrocontroller
Mikrorechner auf einem Chip
Ziel: Steuerungs- oder Kommunikationsaufgabe mit möglichst wenigen Bausteinen lösen
Prozessorkern, Speicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen sind auf die Lösung solcher Aufgaben zugeschnitten
es existiert eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller
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1. Grundlagen
Deshalb meist: Organisation in Mikrocontrollerfamilien
Die Mitglieder einer Familie besitzen
meist gleichen Prozessorkern
unterschiedlichen Speicher
unterschiedliche Ein-/Ausgabeschnittstellen
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1. Grundlagen
SoC (Systems on Chip)
Konsequente Weiterentwicklung der Mikrocontrolleridee, Systeme mit möglichst wenigen Bausteinen zu realisieren
Mikrocontroller: standardisierter Rechnerbaustein, mit wenigen anderen Komponenten entsteht anwendungsspezifisches System
SoC: vollständiges anwendungsspezifisches System auf einem einzigen Chip
15Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
1. Grundlagen
Realisierungsmöglichkeiten von SoC
Bereitstellung und Kombination von Hardwarebibliotheken => FPGA, ASIC
Rekonfigurierbare Hardware
- Fester Prozessorkern und Speicher
- Rekonfigurierbare Zellen
Weitere Herausforderung bei SoC: Kombination von analogen und digitalen Komponenten
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1. Grundlagen
Signalprozessoren
Spezielle Prozessorarchitekturen zur Verarbeitung analoger Signale
Hochleistungsarithmetik zur schnellen fortgesetzten Multiplikation und Addition (MAC, Multiply and Accumulate)
=> schnelle Berechnung von Polynomen
vom Anwender steuerbare Parallelität
spezielle Schnittstellen zur Ein- und Ausgabe von analogen Signalen
Werden in der Vorlesung MRT II näher behandelt
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1. Grundlagen
1.2PC-Systeme
Heute verbreitetste Form von Mikrorechnern
1980 von IBM eingeführt
unter ständiger Weiterentwicklung zum Quasi-
Standard
geworden
Merkmale: zentrales Motherboard (Mainboard),
zusätzliche Komponenten in Form von
Steckkarten
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1. Grundlagen
Grundlegende Bestandteile eines PCs:
Mikroprozessor
Cache
Northbridge
Systembus und Hauptspeicher
verbindet
Southbridge
Ein-/Ausgabeeinheiten
verbindet
1. Grundlagen
Beispiel:
K7M
Motherboard
von Asus
AMD AthlonTM
Microprocessor
AMD 751TM
System Controller
AMD 756TM
Peripheral Bus Controller
SDRAM
AGP Graphics
LAN
BIOS
Athlon System Bus
Memory Bus
AGP Bus
PCI Bus
ISA Bus
USB
UDMA/66
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1. Grundlagen
Bus Bandbreite in Bit Taktrate in MHz Datenrate in MByte/sAthlon System Bus 64 200 1.600Memory Bus 64 100 800AGP Bus 32 66 266PCI Bus 32 33 133ISA Bus 16 8,3 16,6USB 1 12 1,5UDMA/66 16 33 66,6
Eigenschaften der verschiedenen Busse:
Layout:
Athlon Motherboard
K7M von Asus
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1. Grundlagen
1.3 Eingebettete und ubiquitäre Systeme
Eingebettete Systeme
Datenverarbeitungssysteme, die in ein technisches Umfeld eingebettet sind
Steuern und Überwachen dieses Umfeld
Beispiel: Steuerung einer Kaffeemaschine: Koordination von Wasserbehälter,
Heizung und Ventilen zur Bereitung eines Kaffees
Ein wesentliches Anwendungsfeld von Mikrocontrollern und Mikroprozessoren
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1. Grundlagen
Weiteres Beispiel:
PC auf dem Schreibtisch zu Hause
kein eingebettetes System, stellt seine Datenverarbeitungsleistung dem
Menschen zur Verfügung
PC in der Fabrikhalle zur Steuerung einer Anlage
eingebettetes System
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1. Grundlagen
Gegenüber reinen Rechensystemen stellen eingebettete Systeme weitere Anforderungen:
Schnittstellenanforderungen
mehr und vielfältigere Schnittstellen als bei reinen Rechensystemen
Mechanische Anforderungen
robuster Aufbau, rauhe Umgebung, mechanische Belastung, begrenzter Raum, vorgegebene geometrische Form
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1. Grundlagen
Elektrische Anforderungen
vorgegebene Versorgungsspannung, limitierter Energieverbrauch, geringe Abwärme
Zuverlässigkeitsanforderungen
Ausfallsicherheit, Notbetrieb, z.B. bei Bremsen, der Steuerung eines Kernreaktors, einem Flugzeug, ...Zeitanforderungen
Ausführung von Tätigkeiten innerhalb einer vorgegebenen Zeit => Echtzeitsysteme
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1. Grundlagen
Einige zusätzliche Bemerkungen zu Echtzeitsystemen
Nicht-Echtzeitsystem: logische Korrektheit
Echtzeitsystem: logische Korrektheit + zeitliche Korrektheit
Ein Ergebnis ist nur korrekt, wenn es logisch korrekt ist und zur rechten Zeit zur Verfügung steht!
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1. Grundlagen
Klassen von Echtzeitsystemen:
Harte Echtzeitsysteme
Zeitbedingungen müssen unter allen Umständen eingehalten werden. Das Verpassen
einer Zeitschranke ist nicht tolerierbar
Beispiel: Kollisionserkennung in einem automatischen Fahrzeug
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1. Grundlagen
Klassen von Echtzeitsystemen:
Feste Echtzeitsysteme
Feste Zeitschranken
Ein Ergebnis ist nach Überschreiten der Zeitschranke wertlos (Verfallsdatum)
Die Folgen sind jedoch nicht unmittelbar katastrophal
Beispiel: Positionserkennung in einem automatischen Fahrzeug
29Universität Karlsruhe - Prof. Dr. U. Brinkschulte Universität Augsburg - Prof. Dr. Th. Ungerer
1. Grundlagen
Klassen von Echtzeitsystemen:
Weiche Echtzeitsysteme
Weiche Zeitschranken
Ein Überschreiten um einen gewissen Wert ist tolerierbar
Mehr Richtlinie denn harte Zeitschranke
Beispiel: Periodische Temperaturmessung für eine Anzeige
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1. Grundlagen
Wesentliche Anforderungen an Echtzeitsysteme
Zeitliche Vorhersagbarkeit
spielt die dominierende Rolle
eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ohne Vorhersagbarkeit ist wertlos
wichtige Größe: WCET (Worst Case Execution Time)
heutige Prozessoren mit Caches und spekulativer Programmausführung sind hier problematisch
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1. Grundlagen
Längerfristige Verfügbarkeit
Leistung muss über einen längeren Zeitraum erbracht werden
Betriebspausen, z.B. zur Reorganisation, sind nicht zulässig (Beispiel Garbage Collection)
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Anwendung: Allgegenwärtige Computer - Ubiquitous Computing
allgegenwärtig = überall verbreitet = ubiquitär
Computer „unsichtbar“, hinter Alltags-
gegenständen verborgen
Neuer Begriff:
Ubiquitous Computing
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Begriff Ubiquitous Computing
Anfang der 90er Jahre von Mark Weiser geprägt Zukunftsvision: Mit Mikroelektronik angereicherte Gegenstände
sollen so alltäglich werden, dass die enthaltenen Rechner als solche nicht mehr wahrgenommen werden.
Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung der eingebetteten Systeme.
Zusätzlich zu einem eingebetteten System kommt noch Umgebungswissen hinzu, das es diesem System erlaubt, sich in hohem Maße auf den Menschen einzustellen.
Als ubiquitäre (allgegenwärtige) Systeme bezeichnet man eingebettete Rechnersysteme, die selbstständig auf ihre Umwelt reagieren.
Rechner in dienender und nicht beherrschender Rolle. Die Benutzer sollen nicht in eine virtuelle Welt gezogen werden,
sondern die gewohnte Umgebung soll mit Computerleistung angereichert werden.
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Die dritte Ära der Rechnernutzung
Phase 1: Großrechner
Phase 2: Personal Computer
Phase 3: Ubiquitäre Systeme
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Was kennzeichnet ubiquitäre Systeme?5 Merkmale
Ubiquitäre Systeme sind eine Erweiterung sogenannter „eingebetteter Systeme“Rechner, die in technische Systeme eingebettet sind, also z.B.
Waschmaschine, Fahrkartenautomaten, ABS im Auto etc.überall in hoher Zahl vorhanden - Allgegenwartubiquitäre Systeme nutzen drahtlose Vernetzung
Handytechnologien, Funk-LAN, Bluetooth, InfrarotUmgebungswissen, das es ubiquitären Systemen erlaubt, sich in
hohem Maße auf den Menschen einzustellenNeue Geräte wie z.B. Handhelds, tragbare Rechner
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Technologien ubiquitärer Systeme
• Einbeziehung von Informationen aus der natürlichen Umgebung der Geräte• Umgebungswissen erstellt durch Erfassung, Interpretation, Speicherung,
Austausch und Verbindung von Sensorendaten• Umgebungswissen erlaubt ubiquitären Systemen sich in hohem Maße auf den
Menschen einzustellen
Gerät kann Informationen in Abhängigkeit vom jeweiligen Aufenthaltsort auswählen und anzeigen
Gerät passt sich in seinem Verhalten der jeweiligen Umgebung an
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Anwendungsbeispiel: MediaCup (Teco Karlsruhe)
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Wie funktioniert die Tasse?
Der Boden der MediaCup enthält die Elektronik in einem abnehmbaren Gummiüberzieher.
Kern ist ein kleiner Mikroocontroller Die Elektronik wird kabellos mit
Energie versorgt; ein 15 minütiger Aufladevorgang kann die Tasse etwa 10 Stunden mit Energie versorgen.
Sensoren erkennen Temperatur und Bewegungszustand der Tasse.
Diese Informationen wird von der Tasse in den Raum gesendet.
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Leistungsmessung und Leistungsvergleich
Auswahl einer RechenanlageVeränderung der Konfiguration einer bestehenden Anlage (tuning) Entwurf von Rechenanlagen
Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit:
(1) analytische Berechnungen
(2) Laufzeitmessungen bestehender Programme
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Analytische Methoden
Maßzahlen für die Operationsgeschwindigkeit: (Hypothetische Maximalleistung !!) MIPS (Millions of Instructions per Second) MFLOPS (Millions of Floating Point Operations per Sec.)
Mixe: (ebenfalls theoretisch errechnet) Bei einem Mix wird für jeden einzelnen Befehl die mittlere Ausführungszeit bestimmt,
die zusätzlich durch charakteristische Gewichtungen bewertet wird.
Kernprogramme: typische Anwendungsprogramme, die für einen zu bewertenden Rechner geschrieben
werden keine Messungen am Rechner, sondern die Gesamtausführungszeit wird anhand der
Ausführungszeiten für die einzelnen benötigten Maschinenbefehle berechnet.
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Benchmark-Programme
Ein Benchmark besteht aus einem oder mehreren Programmen im Quellcode.
Diese werden für die zu vergleichenden Rechner übersetzt, danach werden die Ausführungszeiten gemessen und verglichen.
Es geht immer auch der gesamte Rechneraufbau sowie die Güte des verwendeten Compilers und der Betriebssoftware mit ein.
Benchmarks können sein: Pakete von echten Benutzerprogrammen Standardisierte Benchmarks
SPEC-Benchmark Suite
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SPEC-Benchmarks
SPEC Standard Performance Evaluation Corporation(seit 1989, verschiedene Hersteller zusammengeschlossen)allgemeine Anwendungsaufgaben für Rechensysteme, vor allem Angabe von Geschwindigkeit und Durchsatz
Zahlreiche Benchmark suites, z.B. SPEC95, SPECweb96, SPEC JVM98 SPEC JBB2000 SPEC2000
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SPEC95
Gemessen wird CPU-Leistung inkl. Cache, Hauptspeicher und Compiler, kaum Betriebssystem und Ein-/Ausgabe
Referenzrechner der SPEC95-Benchmark-Suite: Sun SPARCstation 10/40-Rechner mit vier 40
MHz SuperSPARC-Prozessoren ohne Sekundär-Cache, Integer-Test-Programme (ANSI C) Gleitkomma-Programme (Fortran77) „SPECmark“: Kennzahl ist geometrische Mittel aller
Kennzahlen der Programmfolge
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SPECint95: 8 Integer-Test-Programme (ANSI C)
go: Go-Spiel, das drei Spiele gegen sich selbst spielt,m88ksim: ein Simulator für den 88110-Mikroprozessor,gcc: der GNU-C-Compiler,compress: Komprimierprogramm,li: LISP-Interpreter,ijpeg: JPEG-Komprimierprogramm,perl: PERL-Interpreter,vortex: Transaktions-Benchmark mit einer
objektorientierten Einbenutzer-Datenbank von 40 Mbyte Größe.
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SPECfp95: 10 Gleitkomma-Programme (Fortran77)
tomcatv: Netzgenerator mit doppelter Genauigkeit,swim: Berechnung eines Wasserwellenmodells in einfacher
Genauigkeit,su2cor: Monte-Carlo-Simulation aus dem Bereich der
Quantenphysik,hydro2d: Lösung einer hydrodynamischen Navier-Stokes-
Gleichung zur Berechnung galaktischer Strömungen,mgrid: Gleichungslöser nach dem Mehrgitter-Verfahren im
dreidim. Potentialfeld,
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SPECfp95: 10 Gleitkomma-Programme (Fortran77)
applu: Lösung einer parabolischen-elliptischen partiellen Differentialgleichung,
turb3d: Simulation isotropischer, homog. Turbulenzen (Würfel, Navier-Stokes-Gl.)
apsi: berechnet Temperatur, Wind, Ausbreitungsgeschw. und die Verteilung von Umweltverschmutzungen,
fppp: Quantenchemie,
wave5: zweidim. Simulation elektromagnetischer Partikel aus der Plasmaphysik.
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Beispiel zu SPEC95
600 MHz Pentium III: SPEC-int95 = 24 SPECfp95 = 15.9
450 MHz Sun UltraSPARC-II: SPECint95 = 19.7 SPECfp95 = 27.9
Ziel: vergleichbare Angaben für unterschiedliche Systeme
Warnung: einzelne Werte geben nicht immer reale Verhältnisse wieder, daher nur erster Anhaltspunkt für eine Rechnerauswahl
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Weitere Benchmark Suites
Basic Linear Algebra Subprograms (BLAS): für numerische Anwendungen Kern des LINPACK-Softwarepakets zur Lösung von Systemen linearer
Gleichungen TOP-500-Liste der größten Parallelrechner
Whetstone-Benchmark: in den siebziger Jahren entwickelt besteht aus einem einzigen Programm mit viel Gleitkommarechnungen
Dhrystone-Benchmark: weiteres synthetisches Benchmark-Programm Heute nur noch wenig aussagekräftig
Powerstone-Benchmark-Suite um den Energieverbrauch verschiedener Mikrocontroller zu vergleichen
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Powerstone-Benchmarkprogramme
Auto: Fahrzeugsteuerungen,
Bilv: logische Operationen und Schieben,
Bilt: grafische Anwendung,
Compress: UNIX-Kompressions-Programm,
Crc: CRC-Fehlererkennung,
Des: Datenverschlüsselung,
Dhry: Dhrystone,
Engine: Motor-Steuerung,
fir_int: ganzzahlige FIR-Filter,
G3fax: FAX Gruppe 3,
G721: Audio-Kompression,
Jpeg: JPEG-24-Bit-Kompression,
Pocsag: Kommunikationsprotokoll für Pager,
Servo: Festplattensteuerung,
Summin: Handschriftenerkennung,
Ucbqsort: Quick Sort,
V42bits: Modem-Betrieb,
Whet: Whetstone.