6. Funktionseinheiten eines Computers / Mikrocomputers

Rechnergrundlagen Teil 2 - 57 - Prof. Dipl.-Ing. Komar
Anhang: Gleitpunktrechnung mit der Floating-Point-Einheit FPU ( Coprozessor 80x87 )
Ab dem 80486 verfügen die INTEL-Prozessoren über eine On-Chip-FPU. Bis dahin mußten die Gleitpunktoperationen
entweder mit einem zusätzlichen Arithmetik-Coprozessor 80x87 oder durch softwaremäßige
Emulation (viel Speicherplatz, hoher Rechenzeitverbrauch, langsam !!! ) unterstützt werden.
Die 80x87-Coprozessoren hängen parallel zum jeweiligen Prozessor am Systembus und führen die für sie
bestimmten Befehle aus.
Beim Einsatz von Coprozessoren wird die zeitliche Synchronisation zwischen FPU und CPU mit Hilfe der
WAIT-Befehle ausgeführt, wobei die WAIT-Codes weitgehend automatisch von den jeweiligen Assemblern
erzeugt werden. Durch die Integration der FPU ( ab Prozessor 80486) wird die Synchronisation zwischen IU
( Integer Unit ) und der FPU durch den Prozessor automatisch durchgeführt und dadurch ist der spezielle
Synchronisationscode FWAIT = 9B h vor den Floating-Point-Befehlen nicht mehr nötig und wird auch von den
Assemblern nicht mehr generiert.
Für den Assemblerprogrammierer erscheint die FPU nur als eine Erweiterung des Programmiermodells, denn
um die Kommunikation und Synchronisation zwischen CPU und FPU muß er sich n icht kümmern. Die FPU
erscheint wie ein zusätzlicher Satz von Registern und Datentypen mit einer Menge von zusätzlichen Befehlen,
die auf diesen Registern operieren.
Die CPU identifiziert die Befehle für die FPU durch das Bitmuster 1 1011 b ( 1Bh -> ESC ) das den FPU-
Numerik-Befehlen vorangestellt ist ( ESCAPE-Befehle oder ESC-Befehle).
Die Berechnung und Ausgabe der Datenadressen übernimmt die CPU und den Rest des Befehles führt die FPU
aus. Die von der FPU zu verarbeitenden Zahlen stehen entweder im Arbeitsspeicher oder in den Stapelregistern
der FPU. Eine Verbindung zwischen den Registern der beiden Prozessoren kann nur über den Arbeitsspeicher
hergestellt werden.
Die FPU rechnet intern nur mit dem einheitlichen 80-Bit-Datenformat, das dem Datenformat TEMPORARY
REAL (64-Bit-Mantisse, 15-Bit-Charakteristik, 1 Bit Vorzeichen ) entspricht. Da alle arithmetischen
Operationen intern nur in diesem Format durchgeführt werden, muß bei der Übertragung der Operanden von und
zum Arbeitsspeicher eine Formatumwandlung in dieses interne FPU-Datenformat durchgeführt werden.
Numerik-Register
Der FPU-Register-Stapel (Stack) besteht aus acht 80-Bit-Registern im Temporary -Real-Format mit 1Bit-Vor -
zeichen, 15 Bit Charakteristik und 64 Bit-Mantisse. Der Push-Down Stack adressiert die 8 Register zyklisch.
Tag-Feld Datenfeld (80-Bit – Temporary Real-Format )
Vorz. Exponent Mantisse
1 0 79 78 64 63 0
R7 ST(2)
R6 ST(1)
R5 ST(0) = ST
_ _
_ _
R2 ST(5)
R1 ST(4)
R0 ST(3)
FPU–Register-Stapel
15 0
Steuerregister Environment (Umgebung , 14 Byte für 8087/80287 )
28 Byte ab 80387 im 32Bit-Modus )
Statusregister
Tag-Wort
Befehlszähler Befehlszeiger
Datenzeiger Operandenzeiger