Studiengang Technische Informatik (TI) Prof. Dr.-Ing. Alfred...
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EMC45: Teil1 24.09.2003 Folie: 1 © Prof. Dr.-Ing. Alfred Rozek BerlinTFH
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Studiengang Technische Informatik (TI)
Prof. Dr.-Ing. Alfred Rożek
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Inhalt
1. EinführungBegriffe, Entwicklung der Mikrocomputertechnik
2. Architektur und Funktionsweise von 80x86 SystemenProgrammiermodell, Aufbau 80x86, Systemarchitektur und Bausteine
3. Parallele SchnittstelleParallele E/A, Systemeinbindung, Betriebsarten, Programmierung
4. Zeitgeber und ZählerSystemeinbindung, Betriebsarten, Zeitdiagramme, Programmierung
5. Interrupt-VerarbeitungInterrupts, Systemeinbindung, Kaskadierung, Betriebsarten, Programmierung
6. Serielle DatenübertragungSerielle DÜ, Standards, Systemeinbindung, Betriebsarten, Programmierung
7. MikrocontrollerEinteilung, Architekturprinzipien, Anwendungen
8. Ausblick, Wiederholung und Klausurvorbereitung
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Bücher (Stand: April 2003)
N r A u to r T itel IB N -N r. V erlag O rt Jah r
1 B eierlein, T hom as; H agenbruch, O laf: T aschenbuch M ikroprozessortechnik 3-446-21049-0 H anser M ünchen 1999
2 B erm bach, R ainer: E m bedded C ontroller 3-446-19434-7 H anser M ünchen 2001
3 B erndt, H ans-Joachim ; K ainka, B urkhardM essen, S teuern und R egeln m it W ord und E x cel 3-7723-4092-X F ranzis P oing 1998
4 B ittner, G erd: W orkshop der A utom atisierungstechnik 3-7723-5564-1 F ranzis P oing 1999
5 B lank, H ans Joachim : D as E m bedded P C H andbuch 3-7723-4274-4 F ranzis P oing 2000
6 D em bow ski, K laus: C om puterschnittstellen und B ussy stem e; 3-7785-2526-3 H üthig H eidelberg 1997
7 F lik, Liebig: M ikroprozessortechnik; 5. A ufl. 3-540-64019-3 S pringer B erlin 1998
8 F redershausen, M ichael: M ikrocontrollertechnik 3-7723-7751-3 F ranzis P oing 1995
9 K ainka, B urkhard: M essen, S teuern, R egeln m it M ikrocontrollern 3-7723-4723-1 F ranzis P oing 1998
10 M aier-W olf, Jürgen: 8051 M ikrocontroller erfolgreich anw enden 3-7723-6453-5 F ranzis F eldkirchen 1996
11 M essm er, H ans-P eter: P C -H ardw are; 5. A ufl. 3-8273-1302-3 A ddison W esley B onn 1998
12 R oth, A ndreas: D as M ikrocontroller K ochbuch 3-88322-225-9 IW T B onn 1997
13 R oth, A ndreas: D as M ikrocontroller-A pplikations-K ochbuch 3-8266-2822-5 IW T B onn 1998
14 S chaaf, B ernd-D ieter: M ikrocom putertechnik 3-446-19386-3 H anser M ünchen 1999
15 S chm itt; v . W endorff; W esterholz: E m bedded-C ontrol-A rchitekturen 3-446-19573-4 H anser M ünchen 1999
16 S phar, C huck: V isual C ++ 6; S chritt für S chritt 3-86063-762-2 M icrosoft P ress U nterschleiß heim 1999
17 T haller, G eorg E rw in: S oftw are E ngineering für E chtzeit und E m bedded S3-89360-542-8 bhv K aarst 1997
18 v om B erg, B ernd; G roppe, P eter: D as 8051er Lehrbuch 3-89576-045-5 E lektor A achen 1997
19 v om B erg, B ernd; G roppe, P eter: D as 8051er P raktikum sbuch 3-89576-087-0 E lektor A achen 2000
20 W itzak, M ichael P .: E chtzeit B etriebssy stem e 3-7723-4293-0 F ranzis P oing 2000
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Zeitschriften (Stand: April 2003)
Zeitschriften– Elektronik; WEKA Fachzeitschriften-Verlag
(siehe auch Sonderausgaben: Wireless und Automotive)
– c´t; Verlag Heinz Heise
– Elektor; Elektor-Verlag
– Design & Elektronik; WEKA Fachzeitschriften-Verlag
– Elektronik Automotive; WEKA Fachzeitschriften-Verlag
– Auto & Elektronik; Hüthig
– Computer & Automation; WEKA Fachzeitschriften-Verlag
– Systeme; Awi-Verlag
– elektronik industrie; www.elektronik-industrie.de
– ELEKTRONIK Informationen; AT-Fachverlag
– boards & solutions; www.Embedded-Control-Europe.com
– ECE; www.Embedded-Control-Europe.com
– open automation; www.vde-verlag.de
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Firmen (Stand: April 2003)
Firmen via Internet– Siemens Bauelemente
– Infineon Microcontroller und DSPs; Entwicklungshilfe: DAVE, Easy-Case
– Phytec Microcontroller-Hardware
– Tasking Softwareentwicklungstolls für Microcontroller
– Keil Softwareentwicklungstolls für Microcontroller
– Intel Prozessoren
– Motorola Prozessoren
– eac Automatisierungstechnik, VMEbus-Systeme, Hutschienen-PC, eAction
– ssv Embedded Systems, Embedded Networking
Firmenbroschüren– Echtzeitbetriebssysteme: QNX News QNXSoftware Systems GmbH
– Programmierbare Logik: Xcell XILINX
– MATLAB & Simulink: MATLAB select: MathWorks
– Prototyper and Simulator: dSPACE NEWS dSPACE
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Messen und Ausstellungen (Stand: April 2003)
Embedded World: Nürnberg
Elektronika: München
Hannovermesse Industrie: Hannover
CeBIT: Hannover
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Schöne neue Welt (Brave New World; Aldous Huxley)
eBusinesseCommerceeMobile
eDesign
VoIP
GSMGPRSUMTS
mobile telecommunicationconnected planet
TelemedizinTelelearning
mCommerce
DataminingKundenverhalten aus WWW sammeln und geschickt ordnen
Bluetooth
Wireless PANPersonal/Private Area Network
SoCTime-To-Market
Rapid Prototyping
Embedded System
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Zukunft der Automatisierungstechnik
Um eine Prognose für die Zukunft aufstellen zuwollen, sollte zunächst einmal die Vergangenheitanalysiert werden
Wie hat sich die Elektromechanik über dieMikroelektronik bis hin zur Informationstechnikentwickelt?
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1 Computergeschichte
Quelle: Der Computer ComicLarry Gomick; rororo computer serie
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Geschichtliches2
Quelle: Der Computer ComicLarry Gomick; rororo computer serie
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Geschichtliches3
Quelle: Der Computer ComicLarry Gomick; rororo computer serie
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Geschichtliches4
Quelle: Der Computer ComicLarry Gomick; rororo computer serie
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Geschichtliches5
Quelle: Der Computer ComicLarry Gomick; rororo computer serie
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Geschichtliches6
Quelle: Der Computer ComicLarry Gomick; rororo computer serie
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Klassische Rechner
Darstellung eines Rechenbrettes
Klassischer Rechner aus dem Altertum
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Erste Rechenmaschinen
Rechenmaschine von Schickard
Hollerith-Lochkartensortiermaschine
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Computertechnik aus Berlin
1938: Conrad Zuse beendet den Bau der Z1.Das Speicher- und Rechenwerk wurde von Zuse und Studienkollegen mitLaubsägen aus Blechen ausgesägt. Die Programme wurden auf Filmstreifen gelocht.
1940: Conrad Zuse baut die Z2 in Relaistechnik. Sie funktioniert nur bei der Vorführung.1941: Die Zuse Z3, aufgebaut aus Relais
• Binärdarstellung von Befehlen und Zahlen• Binäre Schaltelemente für Speicherung und Verarbeitung• Verwendung des Aussagenkalküls (UND, ODER, NICHT) zur Realisierung der Rechenoperationen• Gleitkomma-Darstellung von Zahlen (Vorzeichen, Exponent, Mantisse)• Darstellung des Ablaufs als Folge von Rechenschritten (noch keine bedingten Befehle)• Aufbau mit elektromagnetischen Relais (600 für Rechenwerk, 1400 für Speicherwerk; 64 Speicherworte à 22 Bit)• Steuerung über 8-Kanal-Lochstreifen• Geschwindigkeit: 3 Sekunden für Multiplikation, Division, Wurzelziehen
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Konrad Zuse
1955 Z22 von der Zuse KG an Hochschulen geliefert; Magnet-Trommelspeicher(IBM 650), Magnet-Kernspeicher, Rechenzeit: Addition 0,6 ms, Multiplikation 15 ms
Bild: Konrad Zuse mit seiner Rechenmaschine Z3
Zuse, Konrad: Der Computer - Mein Lebenswerk.Dritte, unveränderte Auflage. Springer-Verlag, Berlin u.a., 1993
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Historische Entwicklung der Mikroprozessoren
1948 Erfindung des Transistors (Bardeen, Brattain, Shockley; 1956 Nobelpreis für Physik)1959 Herstellung des ersten integrierten Schaltkreises (IC) durch Fa.Fairchild1969 Integrierte Schaltkreise für Tischrechner, Vorstellung des ersten EPROM (1701)
durch Intel1971 Intel 4004: erster Mikroprozessor. 4 Bit Busbreite, 108 kHz Taktfrequenz, 2300
Transistoren, 640 Bytes Adressraum, nur arithmetische Operationen.1972 Intel 8008, verbesserte Version des 4004: 8 Bit, 200 kHz, 16 KB Adressraum,
zusätzlich sind Daten- und Zeichenmanipulationen möglich.1972 Intel 8080, Interrupt–Konzept, 64 kB Adressraum, IC enthält 5000 Transistoren1976 Z80, 8-Bit-Mikroprozessor der Fa. Zilog, wird bis heute gefertigt, 64 kB
Adressraum, 2.5 bis 6 MHz, 30000 Transistoren1978 Intel 8086, erster 16-Bit-Mikroprozessor1978 Intel 8048/8748, erster Mikrokontroller1979 Motorola 68000, erster Mikroprozessor mit 32–Bit–Registern, 16 MB Adressraum1979 Erster Signalprozessor: Intel 29291985 Intel 80386, 20 MHz, 32-Bit-Prozessor, 4 GB Adressraum, MMU1993 Intel Pentium (80586), 60 MHz, 32-Bit-Prozessor, 4 GB Adressraum, 64 Bit Adressen
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Entwicklung der Leistung vonMikroprozessoren (Intel)
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Moore´s Law
Exponentialgesetz der Mikroelektronik („Mooresches Gesetz“)[Von Gordon E. Moore, Intel Chairman of the Board, 1965 geäußerte Vermutung]
•Die Anzahl der Transistoren pro (Prozessor-)Chip verdoppelt sich alle zwei Jahre•Die Verarbeitungsleistung der Hochleistungsprozessoren verdoppelt sich alle 18 Monate•Vervierfachung der Speichergröße alle drei Jahre•Für den gleichen Preis liefert die Mikroelektronik die doppelte Leistung in weniger als zwei Jahren.
Moore‘s Lawangewandt aufMikroprozessoren:
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Begriffe: Prozessoren und Mikrocomputer - 1Mikroprozessor (µP) :• Prozessoren sind die Kernstücke heutiger Computer beziehungsweise Rechner• Neben der CPU enthält ein Prozessor unter anderem meist Speicher und Schnittstellen.
Mikroprogrammierter µP:• Enthält ein Mikroprogrammsteuerwerk• Mikroprogramme sind vom Hersteller in einem Festwertspeicher untergebracht und vom Benutzer nicht änderbar• Beispiel: 80x86, Pentium, Motorola 680x0
Mikroprogrammierter µP mit festverdrahtetem Schaltwerk:• Beispiel: RISC-Prozessoren
Mikroprogrammierbarer µP:• Mikroprogramme sind vom Benutzer änderbar• Beispiel: Bit-Slice-Prozessoren (heute selten)
Signalprozessor:• DSP = Digitaler Signalprozessor• Spezielle Prozessoren für gezielte Anwendungen• Rechner enthalten heute oft mehrere Signalprozessoren z.B. für die Netzwerkanbindung
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Begriffe: Prozessoren und Mikrocomputer - 2Mikroprozessor-System:
• Digitales System mit einem Mikroprozessor als zentrale Steuer- oder Recheneinheit
Mikrocomputer (Mikrorechner):
• Enthält einen Mikroprozessor, der über den Systembus mit Speicher, Controllern und Schnittstellen für Peripherie-Geräte verbunden ist.
Spezialfälle von Mikrocomputern:
• Ein-Chip-Mikrocomputer. Alle Komponenten des Mikrocomputers befinden sich auf einem einzigen Chip
• Ein-Platinen-Mikrocomputer Alle Komponenten des Mikrocomputers sind auf einer Platine aufgebaut
Mikrocontroller:
• Gegenüber Mikroprozessoren enthalten Mikrocontroller oft zusätzliche Elemente wie Timer, I/O-Anschlüsse oder Analog-Digital Wandler
• Werden in sogenannten eingebetteten Systemen (Embedded Systems) verwendet, d.h. es erfolgt keine direkte Steuerung durch einen Benutzer
Definition Fa. Intel:
"Ein Mikroprozessor ist ein System mehrerer integrierter Schaltungen inSiliziumtechnologie basierend auf digitaler Logik, mit denen Funktionen größererComputer in kleinem Maßstab realisiert werden können."
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Standard vs. Custom ICs
1957 to ‘67 Standard discrete devices ( transistors, diodes )
1967 to ‘77 Custom LSI for calculators, radio, TV
1977 to ‘87 Standard microprocessors, custom software
1987 to ‘97 Custom logic in ASICs
1997 to ‘07 Standard Field-Programmable devices
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Hardware
Relaistechnik
Digitaltechnik– Standardbausteine (Komparatoren, Register, Zähler, Speicher, ...)
– Programmable-Logic-Devices (PLDs)
– Application-Specific-Integrated-Circuits (ASICs)
– Field-Programmable-Gate-Array (FPGAs)
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Hardware
Mikroprozessortechnik– Mikrocontroller (MC)
– Mikroprozessoren (MP)
– Digitale Signalprozessoren (DSP)
– Kombination aus Mikroprozessor,DSP und PLDs bzw. FPGAs
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Was sind Plattform-FPGAs?
A solution that provides the ability to:– integrate a wide variety of hard & soft IP– serve multiple applications– support design upgrades even in the field
Driven by IP, enabled by silicon,empowered by software
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FPGA-Plattform: VIRTEX-II (XILINX)
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Packaging
•DIL•Gull-Wings•BGA•...
Typical Die with Peripheral Bond Pads
X-Section of Wirebonded Package
Wirebond Interconnect Technology
Flip Chip Interconnect Technology
Flip Chip Die Array Pads (Solder bumped)
X-Section of Flip Chip Package
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PCB-Routing (Printed-Circuit-Board)
• Bis zu 1000 Pins per Chip und• N-Chips per Board
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Integration
Advanced 0,13 µm CMOS
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Integrationsentwicklung
Versorgungsspannung 2,5Volt ......... 1,0VoltStrukturbreite 0,25µm 0,18µm 0,07 µm Jahr 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
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Wafer
Ein 300 mm (12-inch) Wafer enthält 2,5 mal mehr Chips als ein konventioneller 200 mm (8 inch) Wafer
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Zukunft/Entwicklungspotential
Rec
hn
er:
Sys
tem
kom
pex
ität
Jahr
Moore´s LawDie Kosten für die Prozessorleistung ($/MIPS)und die Kosten für den Speicherplatz ($/Bit) halbieren sich etwa alle1½ Jahre
Produkterneuerungsratebei PCs << 1 Jahr; d.h., der
Produktlebenszyklussinkt
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Schlüsseltechnologien
Automa-tisierungs-
technik
Mikro-elektronik
Kommuni-kations-technik
Software-technologie
Wechselwirkungen und Einflußfaktoren
auf die Automatisierungstechnik
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Microcomputer-System
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Struktur eines Mikrocomputers
8251/16550
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Embedded PCs / Embedded Systems
Embedded PC
Mikroprozessor•x86•Pentium II•Pentium III•Pentium IV
Betriebssystem•Windows CE•Embedded NT•QNX•PXROS•VxWorks
Stromversorgung / Power-Management
Kommunikationsmodule
An
alo
g-/
Dig
ital
har
dw
are
Inte
rnet
-An
sch
luß
Powerfail
WatchdogAktoren
Sensoren
•elektrisch•optisch•thermisch•mechanisch•magnetisch•chemisch•biologisch
IrDA Bluetooth Airport
seriellekabellose
Datenübertragung
Speicher
PC-Standard Serielle Busse Feldbusse
COM1 COM2LPT1
I2C SPI Firewire USB CAN Profibus
Ethernet
ISDN
WLAN
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2 Architektur und Funktionsweise von 80x86 Systemen
• Ausführungsbeispiele Einplatinencomputer, Mikrocontroller• Programmiermodelle für Mikroprozessoren• Hardwarenahe Programmierung• Prozessoren 8086/8088• Anschlussbelegung 8086/8088• Speicheranschaltung• Maximum/Minimum Mode
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Einplatinencomputer iPC-1 der Firma Phytec
• Prozessor 386SX , 16-Bit Datenbusbreite, 25 MHz Systemtakt• VG-Leiste zur Verbindung mit einer BUS-Backplane (Siemens AT96-Spezifikation)• Erweiterung mit VGA-Karte: Funktionen eines herkömmlichen PCs• Arbeitsspeicher 2 MB (dynamisches RAM), auf 8 MB aufrüstbar• Erweiterung mit Coprozessor vorbereitet• Abmessungen (ohne VG-Leiste): (100x160x37)mm
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Blockschaltbild des Mikrocontrollers SAB 80C167
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Architektur des i8086
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Intel 80C186 Embedded Microprocessor
„80x186 = 8086 + some Peripherals“
Features:• 1 Mbyte Memory and 64 Kbyte I/O• Speed: 13 to 25 MHz
Integrated Feature Set:• Static 186 CPU Core• Power Save, Idle and Powerdown Modes• Clock Generator• 2 Independent DMA Channels• 3 Programmable 16-Bit Timers• Dynamic RAM Refresh Control Unit• Programmable Memory and Peripheral Chip Select Logic• Programmable Wait State Generator• Local Bus Controller• System-Level Testing Support
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Programmiermodelle für Mikroprozessoren
• Die Kenntnis des Programmiermodells ist Voraussetzung für die maschinennahe Programmierung
• Für einen Programmierer werden mit dem Programmiermodell alle wesentlichen Eigenschaften der Rechnerhardware festgelegt
• Unter einem Programmiermodell versteht man Struktur und Funktion der benutzerzugänglichen Register einer CPU
• Die Struktur beinhaltet die Anzahl, Größe und den Anwendungsbereich der Register
• Die Funktion der Register wird mit dem implementierten Befehlssatz beschrieben
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Programmiermodell: i8086Registersatz (grau unterlegt und in Klammern: 8080/8085-Register)
Registersatz 8086(grau unterlegt und in Klammern: 8080/8085-Register)
Segmentregister
Zeige- und Indexregister
Code Segment
Data Segment
Stack Segment
Extra Segment
15 0
15 0
CS
DS
SS
ES
IP Instruction Pointer
Allzweckregister
CF FlagsPFAFZFSFTFIFDFOF
AX
BX
CX
DX
7815 0
Accumulator
Base
Count
Data
BL
CL
DL
AH
BH
AL
CH
DH
(A)
(L)
(C)
(E)
(H)
(B)
(D)
Destination Index
Stack Pointer
Base Pointer
Source Index
SP
BP
SI
DI
(SP)
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Bedeutung der Flags des i8086 1
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Bedeutung der Flags des i8086 2
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Programmiermodell: 80386Registersatz (grau unterlegt: 8086-Register)
CS
SS
DS
ES
AX
BX
CX
DX
BL
CL
DL
AH
BH
AL
CH
DH
SP
BP
SI
DI
EAX
EBX
ECX
EDX
ESP
EBP
ESI
EDI
15 01631
FS
GS
CS-Base
SS-Base
DS-Base
ES-Base
FS-Base
GS-Base
CS-Limit
SS-Limit
DS-Limit
ES-Limit
FS-Limit
GS-Limit
CS-AR
SS-AR
DS-AR
ES-AR
FS-AR
GS-AR
32-Bit Segment Base 32-Bit Segment Limit Access-Rights
IP
FLAGS
EIP
EFLAGS
16-Bit Segment Reg.
32-Bit Base 32-Bit Limit Access-Rights
Task-Register
LDT-Register
TSS-Sel.
LDT-Sel.
TSS-Base
LDT-Base LDT-Limit
TSS-Limit
GDT-Register
IDT-Register
GDT-Base
IDT-Base
GDT-Limit
IDT-Limit
CR0
CR1
CR2
CR3
TR6
TR7
Test-Register
031
Control-Register
DR4
DR5
DR6
DR7
DR0
DR1
DR2
DR3
Cache Register
Debug-Register
EMC45: Teil1 24.09.2003 Folie: 49 © Prof. Dr.-Ing. Alfred Rozek BerlinTFH
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Programmiermodell: M680xx
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Segmentierung und Adressbildung des i8086
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Segment Adressierung
Segmente können beliebigim Adressraum liegen
sie können sich ganz oderteilweise überlappen
lfd.Codesegment
lfd.Stacksegment
lfd.Datensegment
lfd.Extrasegment
ES
DS
SS
CS534EH 00000H
FFFFFH
SP Offset
Eff. AdresseOffset
Eff. AdresseOffset
IP Offsetlog. Adresse
Segmentbasisadresse
Segmentbasisadresse
Segmentbasisadresse
Segmentbasisadresse
534E0H
634DFHz.B. max. 64 KByte
Bottom of Stack
Top of Stack
Physikalische Adressen
EMC45: Teil1 24.09.2003 Folie: 52 © Prof. Dr.-Ing. Alfred Rozek BerlinTFH
TFH-Berlin
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Bildung der logischen Adresse
A rt d es V erw en d ete S eg m en treg ister
S p eich erzu g riffs S tan d ard Zu w eisu n g Zu w eisu n g d u rch O ffset
(feste Zu w eisu n g ) Ü b ersch reib en
Instruktio n-F e tch C S -- IP (fe ste Z uw e isung )
S tack-O p e ratio n S S -- S P (fe ste Z uw e isung )
V ariab le n-Z ug riff D S C S , E S , S S E ff. A d re sse (O ffse t)
A usnahm e n
S tring o p e ratio ne n
Q ue llo p e ratio ne n D S C S , E S , S S S I
Z ie lo p e ratio ne n E S -- D I
b e i ind ire kte r S S C S , D S , E S z.B .:
B P -R e g iste r A d re ssie rung [B P ], E A [B P ], [B P ][S I]
EMC45: Teil1 24.09.2003 Folie: 53 © Prof. Dr.-Ing. Alfred Rozek BerlinTFH
TFH-Berlin
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Speichermodelle i8086
Das Speichermodell bestimmt, wie der Assembler die Segmentbefehle zu behandeln hat.
Sprünge: NEAR - Nur der IP wird neu gesetztFAR - IP und CS werden neu gesetzt
CALL: NEAR - Nur der IP wird auf den Stack geschobenFAR - IP und CS werden auf den Stack geschoben
RET Wie CALL, nur umgekehrt
• TINY:Daten (und Stack) und Code zusammen maximal 64 Kbyte; Daten NEAR, Code NEAR;
• SMALL:Daten (und Stack) und Code jeweils maximal 64 Kbyte; Daten NEAR, Code NEAR;
• COMPACT:Daten mehr als 64 KByte, Code maximal 64 Kbyte; Daten FAR, Code NEAR;
• MEDIUM:Daten maximal 64 Kbyte, Code mehr als 64 KByte; Daten NEAR, Code FAR;
• LARGE:Daten und Code jeweils mehr als 64 Kbyte; Daten FAR, Code FAR;
• HUGE:Daten und Code jeweils mehr als 64 Kbyte; Daten FAR, Code FAR.