Der Mikroprozessor/ Prozessor b.z.w CPU

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1 Der Mikroprozessor/ Prozessor b.z.w CPU Vor dem Mikroprozessor: Vor dem Mikroprozessor gab es Mainframes und Minicomputer. Mainframes waren sehr große Rechner, zumeist raumfüllend, stromverschlingend und kosteten viele Millionen. Minicomputer waren schon so klein, dass sie Schrankgröße hatten. Sie kosteten mehrere hunderttausend Dollar. Der kleinste Minicomputer, die PDP-8 von DEC, konnten sogar von Handelsvertretern im Kofferraum zur Vorführung mitgenommen werden. Computer im Besitz von Privatpersonen gab es nicht. Nur Institute, Behörden und sehr große Firmen konnten sich überhaupt einen Computer leisten. Die Geburt des Mikroprozessors: Im Jahr 1969 trat die japanische Firma Busicom an den Halbleiterhersteller Intel mit dem Auftrag der Herstellung eines Chipsatzes für Taschenrechner heran. Intel hatte sich bisher auf die Herstellung von Speicherbausteinen konzentriert, aber Robert Noyce, Chef von Intel, sagte sich, dass dieser Entwicklungsauftrag nicht schaden könne. So wurde Marcian Ted Hoff, ein neuer Mann bei Intel, mit dem Design des Chipsatzes beauftragt. Hoff kam gerade von der Universität und hatte dort auch Kontakt mit verschiedenen Minicomputern gehabt, unter anderem auch mit der PDP-8 von DEC. Er merkte, daß der gewünschte Chipsatz den Taschenrechner in etwa so teuer machen würde wie einen Minicomputer. Mitte 1969 kam Stan Mazer von Fairchild zu Intel und unterstützte Hoff beim Design seines Schaltkreises. Nach Vollendung des Designs, aber noch vor der teuren Produktion des ersten Schaltkreises, gelang es Intel, den Auftraggeber von der Nützlichkeit des Schaltkreises zu überzeugen. Die Japaner bekamen einen Exklusivvertrag zur Nutzung des Mikroprozessors für etwa Dollar. Mazer und Hoff begannen zusammen mit Frederico Faggin, einem weiteren Intel-Mitarbeiter und Ex-Fairchild-Mann, den Entwurf in einen Schaltkreis umzusetzen. Der Schaltkreis bekam die Nummer 4004, zum einen, weil er rund 4000 Transistorfunktionen innehatte, und zum anderen, weil er der vierte Prototyp des Bausteins war. Außerdem verarbeitet der 4004 immer 4 Bit auf einmal. Die Prototypen 4000, 4001, 4002 und 4003 hatten kleine Fehler, und der 4004 war der erste Chip, der vollständig funktionierte. Doch der Exklusivvertrag mit dem japanischen Kunden machte Intel zu schaffen. Dort hatte man mittlerweile erkannt, dass der Mikroprozessor auch in Meß- und Steuergeräten gut einsetzbar war. So kam es gerade recht, dass die Japaner Ende 1970 um eine Preissenkung des 4004 baten, um konkurrenzfähig

2 zu bleiben. Intel nutzte die Gelegenheit und kaufte mit der Preissenkung das Recht am Mikroprozessor zurück. Denn mittlerweile hatte sich eine weitere Firma bei Intel gemeldet, die einen Schaltkreis haben wollte, der ein Terminal steuert. Es war sofort klar, dass dies eine weitere Anwendung für den Mikroprozessor war. Allerdings war der 4004 dafür ungeeignet, da er nicht einmal den Zeichencode eines Buchstabens auf einmal bearbeiten konnte. So fingen Hoff und seine Kollegen an, einen neuen Mikroprozessor mit der Fähigkeit, 8-Bit-Daten zu verarbeiten, zu entwerfen. Doch die Entwicklung des 8008 dauerte dem Auftraggeber zu lange, und er sprang ab. Nun saß Intel auf einem fast fertigen Mikroprozessor, für dessen Entwicklung viel Geld investiert wurde, und es gab keinen Kunden. Man entschloß sich also den Mikroprozessor selbst zu vertreiben. Mit der Vermarktung des Mikroprozessors kamen neue Probleme auf Intel zu: der Prozessor musste ausführlich dokumentiert werden, damit Kunden etwas damit anfangen konnten. Osborne sollte die Dokumentation zu den Mikroprozessoren erarbeiten. Diese Dokumentation, zusammen mit den Büchern, die er später schrieb, wurde zu den wichtigsten Faktoren auf dem Weg zum Personal Computer. Der Virtual-86-Mode: Der Virtual-86-Mode (V86-Mode) ist eine Kompromißlösung zwischen Proteced Mode und Real Mode. Da sich der Protected Mode des nicht durchsetzen konnte, wurde der V86-Mode eingeführt. Er wird von vielen Erweiterungen (z.b. EMM386.SYS von Microsoft zur EMS- Simulation) und Multitasking Systemen (z.b. DOS- Box von Windows) benutzt. Im V86-Mode erscheint dem Programm das System wie ein Rechner im Real Mode. Gleichzeitig läuft jedoch im Hintergrund das Multitasking Betriebssystem mit Speicherverwaltung, Taskumschaltung und Privilegregeln des Protected Mode weiter. Dem Programm stehen jedoch die Register und Möglichkeiten des im vollem Umfang zur Verfügung. Nur bei der Verwendung einer Adressierung (z.b. Segmente >64 KByte) unterbricht das System und führt eine Fehlerroutine aus. Über die Besonderheit des 80386, Speicherbereiche irgendwo im physikalischen Speicher simulieren zu können, läßt sich der 1 MByte große Adressraum des Real Mode beliebig plazieren. Der oder i486. Dieser Nachfolger des hat auf dem Prozessor zusätzlich den mathematischen Coprozessor untergebracht. Außerdem zeichnet er sich durch die Bereitstellung eines auf dem Prozessor untergebrachten Code- Caches und durch eine wesentlich schnellere Verarbeitung vieler Maschinensprachbefehle aus. Der ist bei gleicher Taktfrequenz etwa 3 mal so schnell wie ein Er unterstützt eine 5-stufige Pipeline Technik, bei der fünf Befehle in unterschiedlichen Ausführungsstadien parallel verarbeitet werden. Die Anwendung von RISC-Techniken verhalf dem Prozessor dazu häufig, benutzte Befehle in einem oder

3 wenigen Taktzyklen zu bearbeiten. Die internen Datenwege des zwischen Prozessoreinheit, Arithmetikeinheit und Cache- Speicher sind 128-Bit breit und erlauben deshalb eine besonders schnelle Datenübertragung. Auch können Prozessor- und Arithmetikeinheit zum Teil parallel arbeiten. CISC (Complex Instruction Set Computing): Der CISC ist für komplexe Befehle des Computers die auf der Assembler-Ebene ausgeführt werden. Diese leistungsfähigen Befehle erlauben zum Beispiel flexible Adressberechnungen. Auf Grund der Komplexität der Befehle sind für die Ausführung der einzelnen Befehle meist hohe Taktzyklen erforderlich. Beispielhafte Modelle dafür sind der Pentium I, II, III und IV der AMD Athlon und der Cyrix (IBM). RISC (Reduced Instruction Set Computing): Der RISC ist ein leistungsfähiger Mikroprozessortyp. Er ist aber im Vergleich zum CISC minderwertig. Er hat einen reduzierten Befehlsatz von 128 KB L2 Cache. Dadurch verarbeitet dieser Prozessor einfache Befehle sehr schnell. Bei komplexen Befehlen hat er aber seine Probleme. Beispiele für diese Prozessorart sind der Celeron, der MMX sowie der AMD 2 K6 3D NOW und der AMD Duron. Lage des heutigen Mikroprozessors: Der Mikroprozessor ist auf dem Motherboard installiert. Über ihm ist ein Ventilator angebracht. Er trägt zur Kühlung des Geräts bei. Wenn man einen Mikroprozessor aufschneiden würde, würden sämtliche Folien mit verschieden eingearbeiteten Kabeln hervorkommen. Diese beinhalten verschiedene Rechenwege und Prozesse. Der Mikroprozessor ist über das Motherboard mit jedem Teil im Computer verbunden und führt dessen Befehle aus. Oftmals kommen über 200 verschiedene Befehle an den Prozessor. Doch einen moderner Prozessor hat damit keine Probleme. Auf dem Motherboard vertretene Komponenten: Folgende Hardwarekomponenten braucht ein moderner Mikroprozessor zur Laufähigkeit: ISA- Steckplatz (ISA- Slots), PCI- Steckplatz (PCI- Slots), Festplattencontroller (PCI, IDE) RAM b.z.w. SIMM- Bänke, Cache- Speicher, Stromversorgung, zwei PCI- Chips und sämtliche Anschlußmöglichkeiten für z.b. für ein CD-Romlaufwärk (CD- Controller).

4 Was steckt im heutigen Mikroprozessor: Die meisten Mikroprozessoren setzen sich aus vier Funktionsteilen zusammen: einer arithmetisch-logischen Einheit, Registern, einer Steuerungseinheit und einem internen Bus. Die arithmetisch-logische Einheit verhilft dem Mikroprozessor zu seiner Rechenfähigkeit und gestattet arithmetische und logische Rechnungen. Die Register sind (kurzzeitige) Speicherbereiche, die Daten sowie Anweisungen eine kurze Zeit speichern. Die Steuerungseinheit besitzt drei Aufgaben. Sie übernimmt die zeitliche Abstimmung und Regulierung des gesamten Computersystems, ihr Anweisungsdekodierer liest die Datenmuster der Register und setzt diese Muster in Aktionen wie beispielsweise Addieren oder Vergleichen um. Schließlich bestimmt die Unterbrechungseinheit der Steuerung, in welcher Reihenfolge einzelne Arbeitsschritte die CPU in Anspruch nehmen und wieviel CPU- Zeit sie verbrauchen dürfen. Die letzte Komponente des Mikroprozessors ist sein interner Bus. Dieses Netz von Kommunikationsleitungen verbindet die internen Elemente miteinander und führt außerdem zu externen Anschlüssen, die den Prozessor mit den übrigen Komponenten des Computers verbinden. Die drei Arten von CPU- Bussen sind: ein Steuerbus aus zwei Leitungen, von denen eine Eingabesignale empfängt und die andere Steuersignale aus dem Inneren der CPU erzeugt, der Adreßbus, eine unidirektionale Leitung vom Prozessor, die die Orte verwaltet, an denen sich Daten im Speicher befinden, und der Datenbus, eine bidirektionale Übertragungsleitung, die sowohl Daten aus dem Speicher liest als auch neue Daten in den Speicher schreibt. Der Coprozessor: Der Coprozessor ist eine Einheit die den Mikroprozessor unterstützt. Er hat zusätzlich spezielle Funktionen z.b. gibt es einen numerisch- mathematischen Coprozessor den man für Gleitkomma- Rechnungen verwendet. Diese Rechenart braucht man für Tabellenkalkulationen. Weiterhin unterstützt ein Coprozessor das Aufbauen von Bildern und Grafiken. Die meisten Computer haben einen Universalcoprozessor! Der Prozessor im Bezug auf MS- Windows: Die heutigen Mikroprozessoren von Intel, Cyrix und AMD gibt es nur speziell für Microsoft Windows, Linux und Unix. Die neue Generation der Apple- Rechner haben als Prozessor einen G 400, eine Teilproduktion von Motorola (zu ca. 10%). Dieser Prozessor ist ziemlich schnell, er ist mit einem Pentium 900 MHz zu vergleichen.

5 Die heutigen Taktungen: Die neuste Generation der Prozessoren hat eine Taktzahl von 1400 MHz (Pentium IV und AMD Athlon). Das entspricht 1400 Millionen Takte in der Sekunde. Bei einem 500 MHz Prozessor wären das also 500 Millionen Takte in der Sekunde. Ein hoch getakteter Prozessor hat einen ziemlich hohen Stromverbrauch. Daraus folgt, dass er sehr warm b.z.w. heiß wird. Er kann eine Temperatur von bis zu 80º C erreichen. Dies wird aber durch eine Kühlung verhindert. Es gibt Kühlgitter und Ventilatoren, besonders leistungsfähige Computerprozessoren brauchen zur Kühlung sogar einen ganzen Kompressor. Wo taucht der Mikroprozessor im heutigen Leben auf: Mikroprozessoren tauchen im heutigen Leben überall auf. In Handys, Kühlschränken, Computern, Herden, Fernsehern und anderen technischen Geräten. Tuningmöglichkeiten: Man kann einen neuen Pentium III Tunen. Dies kann man über das BIOS vornehmen, indem man den Systemtakt von 33MHz beliebig erhöht (bis zu 10 MHz). Wenn der Systemtakt allerdings zu hoch gestellt ist, kann es sein das die Kühlung des Prozessors nicht mehr ausreicht, und er durchbrennt. Deshalb sollte man einen solchen Eingriff nur von fachkundigen Personen vollziehen lassen. Intel Prozessoren im Zeitenüberblick: (80)286 => 1982 intern / extern 16 - Bit Erste AT - Modelle (286)=> (A)dvanced (T)echnology Erste Modelle 6 und 8 Mhz / weitere mit 10 und 12 Mhz War seinem Vorgänger total überlegen (80)386 => 1985 Erster 32 - Bit Prozessor Transistoren Zuerst 16 und 20 Mhz, dann 25 und 33 Mhz Doppelt so schell wie 286 Quadratische Form (80)486 => 1989 Im Prozessor bereits der mathematische Coproz. integriert.

6 1.2 Mio Trans. 25, 33 und 50 Mhz (DX - Variante) SX - Variante ohne Coproz. Pentium (586) => Bit Proz. Paarweise Befehlsverarbeitung 60,66,90,100,120,133 Mhz Ab => 1992 wurden der Pentium (686) entwickelt. Es folgten Pentium, II, III, und IV bis heute Maximale Taktzahl heute 1400 MHz Noch andere Prozessoren wie von Motorola mit der 68000er Reihe von AMD und Cyrix Literaturangabe: Computerpraxis Schritt für Schritt (Basis Wissen) Microsoft Encarta Multimedia Lexikon 2000 Internet Hinweis: Was steckt im heutigen Mikroprozessor ist von MS- Encarta übernommen!