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2010 | Buch

Grundlagen Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Mikrocontroller und Mikroprozessoren

verfasst von: Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : eXamen.press

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Das vorliegende Buch gibt zunächst eine Darstellung der grundlegenden Prinzipien der Mikrocontroller und Mikroprozessoren. Anschließend wird detailliert der neueste Stand der Technik dieser Hardware-Bausteine erläutert, und es werden alle wichtigen Entwicklungstendenzen bis hin zum aktuellen Forschungsstand vorgestellt. Ferner werden in der Praxis häufig verwendete Mikrocontroller und Mikroprozessoren in ihrer Funktionsweise analysiert und zukunftsweisende Technologien dieser Bausteine aufgezeigt. Dieses Buch ist besonders geeignet für Studierende der Informatik oder Elektrotechnik im fortgeschrittenen Grundstudium oder zu Beginn des Hauptstudiums sowie in der Praxis stehende Fachleute der Elektrotechnik, Automatisierungstechnik und hardwarenahen Informatik, die mit der Planung und der Entwicklung oder dem Einsatz von Mikrocontrollern und Mikroprozessoren befasst sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Grundlagen
Zusammenfassung
Zunächst wollen wir einige grundlegende Begriffe genauer definieren. Ein Mikroprozessor ist die Zentraleinheit Zentraleinheit (CPU CPU, Central Processing Unit) eines Datenverarbeitungssystems, die heute meist mit weiteren Komponenten auf einem einzigen Chip untergebracht ist. Er besteht in der Regel aus einem Steuerwerk und einem Rechenwerk, zusammen auch Prozessorkern genannt, sowie einer Schnittstelle zur Außenwelt. Je nach Komplexität und Leistungsfähigkeit können weitere Verarbeitungskomponenten wie z.B. Cache-Speicher und virtuelle Speicherverwaltung hinzukommen. Die Aufgabe eines Mikroprozessors ist die Ausführung eines Programms, welches aus einer Abfolge von Befehlen zur Bearbeitung einer Anwendung besteht. Hierzu muss der Mikroprozessor auch alle weiteren Bestandteile der Datenverarbeitungsanlage wie Speicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen steuern.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
2. Grundlegende Prozessortechniken
Zusammenfassung
Eine Prozessorarchitektur definiert die Grenze zwischen Hardware und Software. Sie umfasst den für den Systemprogrammierer und für den Compiler sichtbaren Teil des Prozessors. Synonym wird deshalb oft auch von der Befehlssatz-Architektur (ISA – Instruction Set Architecture) oder dem Programmiermodell eines Prozessors gesprochen. Dazu gehören neben dem Befehlssatz, das Befehlsformat, die Adressierungsarten, das System der Unterbrechungen und das Speichermodell, das sind die Register und der Adressraumaufbau. Eine Prozessorarchitektur betrifft jedoch keine Details der Hardware und der technischen Ausführung eines Prozessors, sondern nur sein äußeres Erscheinungsbild. Die internen Vorgänge werden ausgeklammert.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
3. Mikrocontroller
Zusammenfassung
Mikrocontroller Mikrocontroller sind spezielle Mikrorechner auf einem Chip, die auf spezifische Anwendungsfälle zugeschnitten sind. Meist sind dies Steuerungs- oder Kommunikationsaufgaben, die einmal programmiert und dann für die Lebensdauer des Mikrocontrollers auf diesem ausgeführt werden. Die Anwendungsfelder sind hierbei sehr breit gestreut. Mikrocontroller wirken meist unsichtbar in einer Vielzahl von Geräten und Anlagen, die uns im täglichen Leben umgeben.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
4. Mikrocontroller-Komponenten
Zusammenfassung
Wir wollen nun die einzelnen KomponentenMikrocontrollerKomponenten eines Mikrocontrollers im Detail betrachten und ihre Funktionsweise näher kennen lernen.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
5. Beispiele verschiedener Mikrocontroller
Zusammenfassung
Im vorliegenden Abschnitt wollen wir einige exemplarische Mikrocontroller Mikrocontroller genauer betrachten. Hierzu wurden aus dem industriellen Bereich typische Vertreter unterschiedlicher Leistungsklassen ausgewählt: Aus dem Segment der 8-Bit-Mikrocontroller untersuchen wir den ATmega128A von Atmel. Stellvertretend für das mittleren Segment der 16-/32-Bit-CISC-Mikrocontroller steht der MC68332 von Freescale. Im Bereich der 32-Bit-RISC-Hochleistungs-Mikrocontroller betrachten wir den PXA270 von Marvell. Einen genaueren Blick in den Bereich der Energiespartechniken werfen wir anhand der Freescale MCore-Architektur, die primär für niedrigen Energieverbrauch entwickelt wurde.
Aus dem Forschungssegment dient schließlich der Komodo Mikrocontroller der Universitäten Augsburg und Frankfurt als Beispiel.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
6. Hochperformante Mikroprozessoren
Zusammenfassung
Die Grundlage dafür, dass Mikroprozessoren überhaupt möglich wurden, ist die VLSI-Technologie. Der erste Mikroprozessor (Intel 4004) entstand 1971 und benötigte nur 2300 Transistoren. Der schon wesentlich komplexere Intel 8086-Mikroprozessor von 1978 bestand bereits aus 20 000 Transistoren. Die Anzahl der Transistoren pro Prozessor-Chip steigerte sich nun rapide. Anfang der 80er Jahre waren dies 134 000 Transistoren mit einer Taktrate von 16 MHz (Intel 80286) und Mitte der 80er Jahre bereits 275 000 Transistoren mit 32 MHz Taktrate (Intel 80386).
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
7. Die Superskalartechnik
Zusammenfassung
Ein Superskalarprozessor besteht aus einem Ausführungsteil und einem Befehlsbereitstellungsteil. Die beiden Teile werden durch das Befehlsfenster voneinander entkoppelt. Der Ausführungsteil wird von der Anzahl der Ausführungseinheiten und der Zuordnungsbandbreite bestimmt. Die Aufgabe des Befehlsbereitstellungsteils ist es, den Ausführungsteil mit genügend Befehlen zu versorgen. Beide Teile des Prozessors müssen aufeinander abgestimmt entworfen werden.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
8. Speicherverwaltung
Zusammenfassung
Heutige Mikroprozessoren müssen wegen ihrer hohen internen Parallelität und ihrer hohen Taktraten ihrem Befehlsbereitstellungs- und Decodierteil genügend Befehle als auch ihrem Ausführungsteil genügend viele Daten zuführen. Da die Daten nicht immer nur den Registern entnommen werden können, wächst mit der Erhöhung der Verarbeitungskapazität des Prozessors auch die Anforderungen an die Bandbreite, mit der dem Prozessor Daten zugeführt werden müssen.
Eine weitere Beobachtung ist, dass der Speicherbedarf eines Programms mit seinen während der Ausführung erzeugten Zwischendaten häufig sehr groß werden kann und selbst die Kapazität des Hauptspeichers sprengt. Ideal wäre ein einstufiges Speicherkonzept, bei dem mit jedem Prozessortakt auf jedes Speicherwort zugegriffen werden kann. Das ist technologisch für Prozessoren hoher Leistung nicht möglich, große Speicher existieren nur mit relativ langsamem Zugriff, während Speicherbausteine mit hoher Zugriffsgeschwindigkeit in ihrer Speicherkapazität beschränkt und teuer sind.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
9. Mehrfädige und Mehrkernprozessoren
Zusammenfassung
Die Entwicklung der Mikroprozessoren hat in den letzten drei Jahrzehnten überwältigenden Fortschritte gemacht und es ermöglicht, sehr leistungsfähige PCs, Server und eingebettete Rechnersysteme herzustellen. Neben Fortschritten in der Architektur und Mikroarchitektur wurde die Steigerung der Verarbeitungsleistung insbesondere durch Fortschritte in der VLSI-Technologie und der Chip-Herstellungsverfahren ermöglicht. Diese können durch das sogenannte Mooresche Gesetz approximiert werden.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
10. Beispiele für Mikroprozessoren
Zusammenfassung
Die Liste der Intel-Prozessoren ist schwer zu überblicken, auch wenn diese die derzeit wichtigsten PC-Prozessoren auf dem Markt sind. Im Folgenden werden die älteren Prozessoren der Pentium-Familie mit 32-Bit-Architektur („IA-32-Architektur IA-32-Architektur“ oder „Intel x86-Architektur Intel x86-Architektur“ genannt) vorgestellt, da diese von Seiten ihrer Mikroarchitektur teilweise sehr unterschiedlich sind und diese Mikroarchitekturprinzipien in heutigen Intel-Prozessoren variiert werden. So basiert der Intel Atom-Prozessor [Gerosa et al. 2008] grundlegend auf dem Intel Pentium-Prozessor. Er ist zweifach superskalar mit In-Order-Prinzip, erweitert aber den Pentium um zweifache Mehrfädigkeit und um einen aktuellen IA-32-Befehlssatz. Die Intel-Core-2-Architektur der Intel-Mehrkernprozessoren (siehe Abschn. 10.2) sind dem Pentium II näher als dem wesentlich komplexeren Nachfolger Pentium IV und auch der Core des Intel Larrabee-Prozessors (siehe Abschn. 10.3) wird als Pentium I ähnlich beschrieben, allerdings erweitert um Mehrfädigkeit und eine leistungsstarke Vektoreinheit.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
11. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Bei den Hochleistungsprozessoren erscheint Superskalartechnik wegen mangelnder Befehlsebenen-Parallelität schon heute weitgehend ausgereizt. Eine Alternative ist, den Durchsatz aus mehreren Kontrollfäden (Betriebssystem-Threads oder Prozesse) zu erhöhen. Die mehrfädige Prozessortechnik hat sich bei Hochleistungsprozessoren allgemein durchgesetzt, der Trend geht jedoch hin zu Multi-Core-Prozessoren.
Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer
Backmatter
Metadaten
Titel
Mikrocontroller und Mikroprozessoren
verfasst von
Uwe Brinkschulte
Theo Ungerer
Copyright-Jahr
2010
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-05398-6
Print ISBN
978-3-642-05397-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-05398-6

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