Der Prozessor. Suchen Sie aus diversen Anzeigen die Taktraten aktueller Prozessoren heraus.

Transkript

1 Aufbau besteht im wesentlichen aus zwei Teilen: Im Rechenwerk mit der ALU (=Arithmetic and Logical Unit) werden sämtliche Befehle abgearbeitet: - Berechnungen Steuerwerk Rechenwerk - Verknüpfungen - Vergleiche Das Steuerwerk (auch Leitwerk genannt) koordiniert alle Arbeitsabläufe im. Dafür gibt es unter anderem einen Taktgeber. Dessen Taktrate (Angabe in MHz oder GHz) bestimmt wesentlich wie viele Anweisungen der pro Sekunde abarbeiten kann. Suchen Sie aus diversen Anzeigen die Taktraten aktueller en heraus. Geben Sie an aus welchen Einheiten das Steuerwerk bzw. das Rechenwerk aufgebaut ist. Welche sieben Schritte sind bei der Abarbeitung eines jeden Befehles nötig? Seite 1

2 Die Leistungsfähigkeit eines Computers ist sicherlich ganz stark vom eingesetzten abhängig. Leider wird in der Werbung jedoch nur die Taktrate in den Mittelpunkt gestellt da sich hohe GHz-Zahlen eben leicht an Laien verkaufen lassen.l Bei der Einschätzung der leistung sind jedoch daneben noch etliche andere Kriterien wichtig: Die Größe des integrierten Level 1- und Level 2-Caches (kurz L1- und L2-Cache). Dabei handelt es sich um sehr schnelle Zwischenspeicher in welchen der kurzfristig Daten ablegen kann. Damit dies möglichst schnell erfolgen kann dürfen die Daten nur sehr kurze Wege in den Leiterbahnen zurücklegen. Deshalb ist der Cache direkt in den Chip des s integriert. Stellt der vorgefertigte Kurzanweisungen für komplexe Befehlskombinationen zur Verfügung so erhöht dies vor allem die Darstellung anspruchsvoller Grafiken wie sie häufig in Spielen zum Einsatz kommen. Bei Intel heißt diese Technik MM (MultiMedia Extension), AMD nennt sie 3DNow!. Soll ein PC für sehr aufwändige Berechnungen eingesetzt werden ist ein leistungsfähiger, im integrierter, mathematischer Coprozessor wichtig. Mit diesen Eigenschaften ist aber nur die Leistungsfähigkeit des s definiert. Ob der PC als Komplettsystem auf höchstem Niveau arbeitet wird zusätzlich noch von den restlichen eingesetzten Baugruppen bestimmt: - Wie groß ist der Arbeitsspeicher? - Taktrate des Frontside-Bus (FSB): Angenommen ein Rechner arbeitet mit einem Fronside-Bus von 100 MHz, dann heißt das: o Der Arbeitsspeicher wird vom mit 100 MHz angesprochen. o spricht den AGP Steckplatz (Grafikkarte) mit FSB/2 an: 100 MHz (FSB) / 2 = 50 MHz (AGP). o Geschwindigkeit der Kommunikation zwischen und PCI Steckplatz: 100 MHz (FSB) / 4 = 25 MHz (PCI) - Geschwindigkeit der eingebauten Peripherie - usw. Doch nicht jeder PC-Benutzer benötigt ein System mit höchstem Leistungsniveau. Oft sind auch andere, zum Teil weiche Entscheidungskriterien ausschlaggebend für den Kauf: Leistungsaufnahme des s (z. B. beim Einsatz in Notebooks) Anschaffungskosten Bevorzugter Hersteller Seite 2

3 Leistungssteigerung Um aus einem vorhandenen mehr Rechenleistung herauszuholen betreiben ihn manche PC-Benutzer mit einer höheren Taktrate als der eigentlich zugelassenen ( Overclocking ). Bei älteren Mainboards musste dazu lediglich ein Jumper verändert werden um den sogenannten Multiplikator heraufzusetzen. Bei neueren Boards müssen dafür Pins am bzw. am Sockel kurzgeschlossen oder existierende Verbindungsbrücken am Sockel entfernt werden. ACHTUNG: Derartige Modifikationen führen unweigerlich zu Garantieverlust! Overklcocking erhöht die Leistungsaufnahme dramatisch viel höherer Kühlungsbedarf! Overclocking vermindert die Lebensdauer eines s erheblich! Notieren Sie sich nachfolgend in Stichpunkten was man unter den vorgegebenen Fachbegriffen versteht. Stages Pipelining Superskalar Hyperthreading Sprungvorhersage Seite 3

4 Legen Sie in nachfolgender Tabelle fest welcher typ für jeden der gegebenen Anwendungsfälle am geeignetsten erscheint. Anwendungswunsch Vorletzte Generation; geringe Taktrate; kostengünstig Gängige Generation; mittlere Leistung; gemäßigter Preis Neueste Generation; extrem leistungsfähig; teuer Büroanwendungen (Word, kleine Excel-Tabellen) Aktuelle 3-D Action-Games spielen Betrieb einer mittleren Datenbank mit gelegentlichen Zugriffen über das Intranet Surfen im Internet, gelegentliche Arbeiten mit Office-Paket Videos von Kamera auf PC übertragen und schneiden Audio-CDs in MP3 kodieren und Bilder von Digitalkamera archivieren Programmieren von Webseiten mit einem HTML-Editor Erstellen dreidimensionaler Objekte ( rendern ) für Animationen Bearbeiten von Werbefotos vorbereiten für die Weitergabe an eine Druckerei Ausprobieren neuer Linux-Distributionen mit Neukompilierung des Kernels Briefe schreiben und fernsehen Seite 4

5 Sockel Derzeit befinden sich eigentlich nur noch zwei namhafte hersteller am Markt. Wie heißen diese? Um aktuelle Software zu benutzen ist es egal von welchem der beiden Hersteller ein im System steckt. Die en sind also kompatibel zueinander. Obwohl mit jeder neuen generation neue Features integriert werden läuft auch ältere Software noch auf Computern mit neueren CPUs. Man sagt auch: Die neuen en sind abwärtskompatibel. Dies bedeutet aber nicht dass man einen älteren einfach aus seinem Sockel ziehen und durch einen neuen ersetzen kann. Mit der Weiterentwicklung der Chips ändert sich auch das Schaltungslayout. Dies führt in der Regel zu einer Erhöhung der Anzahl an Anschlußpins was wiederum eine neue Generation an Sockel nach sich zieht (siehe Tabelle auf dem letzten Blatt). Beim Aufstecken des s auf den Sockel ist die seitenrichtige Montage zu beachten. Bei früheren -Sockel-Kombinationen gab es einen oder zwei Verpolschutzpins so dass der Sockel nur in der richtigen Lage aufgesteckt weren konnte. Dies wurde auch durch eine / zwei abgeschrägte Ecken angezeigt. Beim Pentium 4 mit Prescott-Kern hat der keine Pins mehr sondern nur noch glatte Kontakte, die auf kleine Federkontakte im Sockel gepresst werden. Deshalb wird der Verpolschutz durch einige kleiner Kerben im Sockel und entsprechender Nasen am gewährleistet. Achtung: Bei der Montage eines P4 ohne Pins ist besondere Vorsicht geboten da sich die Federkontakte im Sockel bereits bei geringstem schrägen Ansetzen des s sehr leicht verbiegen. In der Folge ist der nicht mehr einsetzbar und das Board muss weggeworfen werden! Seite 5

6 Elektrische Leistung Eine moderne CPU wie der Pentium 4 mit Prescott-Kern hat eine Leistungsaufnahme von bis zu 84 Watt. Da mit jeder neuen generation die Anzahl der integrierten Transistoren ansteigt erhöht sich auch jedes Mal die Leistungsaufnahme. Ein großer Teil der zugeführten Leistung wird in Wärme umgewandelt. en dürfen sich jedoch nur bis zu einer bestimmten Temperatur erwärmen bevor sie beschädigt werden. Um die Erwärmung der en zu beschränken werden verschiedene Maßnahmen getroffen: Reduktion der zugeführten elektrischen Leistung durch Absenkung der Versorgungsspannung. Wärmeabfuhr durch Kühlung o Passive Kühlung durch extrem große Kühlkörper o Aktive Kühlung durch Lüfter o Aktive Kühlung durch Wasserkühlung Überlegen Sie sich welche Vor- und Nachteile die verschiedenen Maßnahmen zur Wärmeregulierung der en haben (können). Seite 6

7 Beispiele für en und deren Sockel Pentium I MM Pentium II Pentium 4 Pentium 4 CPU-Kern P55C Klamath Northwood A Prescott Taktfrequenz 233 MHz 300 MHz 2 GHz 3 GHz Markteinführung Abbildung Bezeichnung des Sockels Anzahl der Kontakte Sockel Sockel 7 Slot 1 Sockel 478 Sockel Pins am Leiste mit 387 Kontakten 478 Pins am 775 Federkontakte im Sockel Abbildung Sockel Anzahl integrierter Transistoren 3,3 Mio. 7,5 Mio 55 Mio. 125 Mio. Leistungsaufnahme 17 W 43 W 52 W 84 W Max. zulässige Betriebstemperatur 70 C 72 C 68 C 68 C Seite 7

8 Lösung Geben Sie an aus welchen Einheiten das Steuerwerk bzw. das Rechenwerk aufgebaut ist. Steuerwerk: Befehlszähler, Befehlsregister, Befehlsdecodierer, Operationensteuerung, Statusregister, Taktgeber Rechenwerk: Register für Operanden und Ergebnisse, Akkumulator, ALU (Arithmetic- and Logical Unit) Welche sieben Schritte sind bei der Abarbeitung eines jeden Befehles nötig? 1. Befehl aus Speicher holen 2. Dekodieren des Befehls 3. Adressberechnungen 4. Operanden aus Speicher holen 5. Operationsdurchführung 6. Speicherung der Ergebnisse 7. Bestimmung der Adresse des nächsten Befehls Seite 8

9 Lösung Notieren Sie sich nachfolgend in Stichpunkten was man unter den vorgegebenen Fachbegriffen versteht. Stages Zerlegung eines Befehles in Zwischenschritte (im einfachsten Fall: fetch decode execute) Pipelining Mit der Ausführung eines Befehles kann bereits begonnen werden wenn der vorhergehende noch nicht vollständig abgearbeitet wurde. Superskalar Die CPU enthält zwei interne Datenleitungen so dass stets zwei Befehle gleichzeitig ausgeführt werden können. Hyperthreading Von Intel bezeichnete Fähigkeit einer CPU, mehrere (Teil-) Programme parallel auszuführen. Sprungvorhersage Aufgrund verschiedener statistischer Ansätze wird von der CPU vermutet welche Befehle auf einen anderen Befehl folgen. Diese nachfolgenden Anweisungen werden vor der Ausführung bereits vom langsameren Arbeitsspeicher in den schnellen Cache geladen. Seite 9

10 Lösung Legen Sie in nachfolgender Tabelle fest welcher typ für jeden der gegebenen Anwendungsfälle am geeignetsten erscheint. Anwendungswunsch Vorletzte Generation; geringe Taktrate; kostengünstig Gängige Generation; mittlere Leistung; gemäßigter Preis Neueste Generation; extrem leistungsfähig; teuer Büroanwendungen (Word, kleine Excel-Tabellen) Aktuelle 3-D Action-Games spielen Betrieb einer mittleren Datenbank mit gelegentlichen Zugriffen über das Intranet Surfen im Internet, gelegentliche Arbeiten mit Office-Paket Videos von Kamera auf PC übertragen und schneiden Audio-CDs in MP3 kodieren und Bilder von Digitalkamera archivieren Programmieren von Webseiten mit einem HTML-Editor Erstellen dreidimensionaler Objekte ( rendern ) für Animationen Bearbeiten von Werbefotos vorbereiten für die Weitergabe an eine Druckerei Ausprobieren neuer Linux-Distributionen mit Neukompilierung des Kernels Briefe schreiben und fernsehen Seite 10

11 Lösung Überlegen Sie sich welche Vor- und Nachteile die verschiedenen Maßnahmen zur Wärmeregulierung der en haben (können). Reduktion der Spannungsversorgung: o Vorteil: Es wird bereits die zugeführte Leistung abgesenkt. D. h. es handelt sich um eine präventive Maßnahme! o Nachteil: Kann nicht vom Anwender sondern nur vom Hersteller beeinflußt werden. (nur sehr geringer Nachteil!) Passive Kühlung mittels Kühlkörper: o Vorteil: Keine Geräuschentwicklung sehr leiser Rechner o Nachteil: sehr schwer, großer Kühlkörper außerhalb des Rechnergehäuses nötig erhöhter Platzbedarf und evtl. eine Frage der Ästhetik Aktive Kühlung mittels Lüfter: o Vorteil: Kostengünstig, leichte Montage o Nachteil: Meist recht hohe Lärmentwicklung (Abhilfe wäre ein sehr gut gelagerter Lüfter der evtl. sogar noch eine temperaturabhänige Drehzahlregelung hat; aber: diese sind wieder deutlich teurer) Aktive Kühlung mit einer Wasserkühlung: o Vorteil: Sehr geringe bis keine Geräuschentwicklung o Nachteil: Teuer; aufwändige Montage; Vorbehalte bei vielen Anwendern ob die Flüssigkeit austreten und den Rechner beschädigen kann. Seite 11