Der Prozessor. Was ist ein Prozessor?

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1 Jill Vesque LTAM Luxembourg T1IF2 Der Prozessor Was ist ein Prozessor? Der Prozessor, abgekürzt auch CPU (Central Processing Unit) bezeichnet, ist das Herzstück eines jeden Computers, ohne ihn kann kein Rechner funktionieren. Er wird auf dem Mainboard montiert, auf den wiederum ein Lüfter montiert werden muss, da die CPU sich bei Gebrauch stark erwärmt. Die Aufgaben des Prozessors Die Aufgabe des Prozessors, nämlich die Abarbeitung von Befehlen aus Programmen, läßt sich ganz einfach in 3 Etappen erklären. Diese sind: 1. Einbringen von Daten und Befehlen in den Mikroprozessor 2. Bearbeiten (verändern) der Daten 3. Ausgabe der Daten aus dem Mikroprozessor Der Prozessor jeweiligen am Komponenten Recheneinheit nimmt alle notwendigen Berechnungen vor und dient der Steuerung der Mainboard angeschlossenen Geräte.Dazu lassen sich die einzelnen eines Prozessor drei Gruppen zuordnen. Diese Gruppen sind die (ALU), die Steuereinheit und das Register. Das Programm, welches abgearbeitet werden soll, befindet sich im Hauptspeicher und wird aus diesem geholt. Im Prozessor wird dann jeder Befehl entschlüsselt (decodiert) und verarbeitet (executiert), so daß sich drei Phasen, die jeder Befehl durchläuft, ergeben. Um diesen drei Phasen zu realisieren sind verschiedene Bausteine notwendig, wovon die wichtigsten in der folgenden Zeichnung dargestellt sind und anschließend erläutert werden. Hierbei ist ein stark vereinfachter Datenpfad eines sogenannten CISC- Rechners zu sehen. 1

2 Zusätzlich zu den "Alltags-Aufgaben" muss der Prozessor auch unvorhergesehene Ereignisse bearbeiten. Diese werden mittels Interrupts ("Unterbrechungen") an den Prozessor gesandt, woraufhin er seine Arbeit unterbricht und das Ereignis bearbeitet, in dem die aktuellen Werte in den Stack geschrieben bzw. kopiert werden, dann zu einer gespeicherten Befehlsfolge gesprungen wird, die für die Abwicklung eines solchen Ereignisses bestimmt ist. Wenn diese Befehlssequenz abgearbeitet ist, kopiert der Prozessor die Daten wieder an die ursprünglichen Positionen und setzt seine vorherige Arbeit fort. Hat der Prozessor nichts zu tun, verbringt er die Zeit in sogenannten Wait-Zyklen, die weniger Strom verbrauchen und den Prozessor weniger stark erhitzen lassen. Warum wird ein Prozessor eigentlich heiss? Die Hitze kommt vor allem deswegen zustande, weil Prozessoren auf geringe Abmessungen optimiert sind: die Leitungen sind äußerst kurz, dadurch geht weniger Zeit durch "langsame" Strom-Ausbreitung verloren (diese findet mit nahezu Lichtgeschwindigkeit statt (ca. 0,7c), kann aber nicht bis ins unendliche gesteigert werden). auf kurzen Strecken geht weniger Energie verloren, wodurch das Energie-Niveau im Prozessor überall nahezu gleich ist. starke Erhitzung durch nahe aneinanderliegende Leitungen. Da durch den materialbedingten Widerstand Strom in Wärme-Energie umgesetzt wird, verstärkt sich der Effekt dadurch. Die Arbeitsweise eines Prozessors Der Mikroprozessor kann nur binäre Signale verarbeiten. Alle Befehle und Daten müssen daher als Binärcodes in den Mikroprozessor eingegeben werden. Zahlen und Zeichen werden dabei nach dem ASCII-Code verschlüsselt. Die Codierung der Befehle erfolgt in der Regel nach einem vom Hersteller vorgegebenen Schlüssel, der sich von CPU zu CPU unterscheidet. Da sowohl Daten als auch Befehle binär codiert werden, kann der Prozessor nicht zwischen den beiden Signalarten unterscheiden. Deshalb werden Daten grundsätzlich in Akkumulatoren und Datenregistern eingespeichert und Befehle werden grundsätzlich im Befehlsregister abgelegt, damit eine Unterscheidung möglich wird. Jedes Wort, das im Befehlsregister steht, wird als Befehl weiterverarbeitet und jedes Wort, das im Akkumulator oder Datenregister steht wird als Zeichen, bzw. als Zahl vom Mikroprozessor aufgefaßt und entsprechend bearbeitet. 2

3 Slot-Prozessor und Sockel Für kurze Zeit stieg man auf Slot-Prozessoren um, die - ähnlich wie z.b. PCI-Karten - in einen dünnen Schacht gesteckt wurden. Davon erhoffte man sich bessere Prozessoreigenschaften und mehr Platz, zum Beispiel für Second Level Cache, der sich ab diesem Zeitpunkt auf dem Prozessor befand. Nachdem sich herausstellte, dass der Sockel einige Vorteile mit sich brachte und bessere Fertigungs-Methoden zur Verfügung standen (engere Anordnung von Transistoren) stieg man wieder auf den Sockel um, der daraufhin die Bezeichnung Socket 370 trug. Auch die Konkurrenz, vor allem dem Athlon von AMD, ging mit der Sockel-/Slot-Politik mit, nun sind auch diese Prozessoren wieder auf Sockets beheimatet. Was macht den Intel Pentium 4 Prozessor aus? Der Pentium 4 Prozessor ist der Intel Prozessor mit der höchsten Leistungsfähigkeit. Mit CMOS-Transistoren, die mit einer Größe von nur 60 Nanometern die kleinsten und schnellsten in der Massenfertigung sind und seinen hochentwickelten Speicher-, Grafik- und Verarbeitungsfunktionen macht er die Leistungsfähigkeit gegenwärtiger und neuer Internet-, Büro- und Multimedia-Anwendungen in vollem Umfang nutzbar. Der Aufbau einer CPU Der Aufbau einer CPU lässt sich in mehrere Funktionsgruppen gliedern: Die Busschnittstelle (BU=Bus Unit) bildet die Verbindung zur Außenwelt, d.h. dem Daten-, Adress- und Steuerbus. Sie liest Befehle und Daten aus dem Speicher in die Prefetch Queue, die diese an die Befehlseinheit (IU = Instruction Unit) weitergibt. Die Befehlseinheit steuert die Ausführungseinheit (EU=Execution Unit) an, die für die Datenverarbeitung zuständig ist und zu diesem Zweck eine Steuereinheit (CU=Control Unit), eine arithmetische und logische Einheit (ALU=Arithmetic Logical Unit) und verschiedene Register umfasst. Die Steuereinheit überwacht die Register sowie die ALU, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten. Die Adressierungseinheit (AU=Adressing Unit) besitzt häufig noch eine Speicherverwaltungseinheit (MMU=Memory Management Unit). Der Mikroprozessor kann über den Datenbus Daten aus dem Speicher lesen oder in den Speicher schreiben. Die auszulesende oder zu beschreibende Speicherzelle wird dabei über eine Adresse angesprochen, die der Prozessor in der Adressierungseinheit berechnet und über den Adressbus an die Speicherbausteine übermittelt. Das Lesen und Schreiben erfolgt dabei über die Busschnittstelle. Hierzu gibt diese die Adresse und die zu schreibenden Daten aus, bzw. liest die zu lesenden Daten ein. In gleicher Weise wird der Speicher adressiert, um einen Befehl zu lesen, nur wandern die gelesenen Daten in die Prefetch Queue und nicht in eines oder mehrere der Register der Ausführungseinheit. Die Befehlseinheit liest den Befehl aus der Prefetch Queue, dekodiert ihn und reicht den dekodierten Befehl an die Ausführungseinheit weiter. 3

4 So wie der in einem Auto eingebaute Motor die Fahrleistung bestimmt, ist der Prozessor unmittelbar für die Leistung des Rechners verantwortlich. Der Prozessor selbst ist ein flaches Bauteil, das - je nach Typ - mit einer Vielzahl von kleinen Füßchen auf der Hauptplatine festgelötet ist oder an seiner Unterseite eine große Anzahl von kleinen Stiften aufweist, mit denen es in einen speziellen Sockel gesteckt wird. In der folgenden Grafik ist der wesentliche Aufbau sehr leicht und einfach verständlich. 4

5 Kennzeichnungen von CPU's Die letzten Überprüfungen brachten es 1998 an das Licht: Keine CPU wurde bisher so oft gefälscht wie die Pentium II von Intel. (Stand: Jan. 2000) Auf den folgenden Grafiken kann man gut erkennen wie die CPU s gekennzeichnet sind 5

6 Testprogramme für CPU's Unter den Fachzeitschriften in Deutschland hat sich eine als quasi Standard herauskristallisiert. Die legendäre c't aus dem Heise Verlag. Aus dem gleichen Hause stammen auch diverse Testprogramme um "fehlerhafte" sprich gefälschte Pentium II CPU's zu erkennen. Wie gelangen die Daten und Befehle in die Register? Und woher kommen die Befehle für die Operationen des Prozessors? Die CPU ist mit einem Programmspeicher (ROM) für die Speicherung der Befehle für die durchzuführenden Operationen verbunden. Der Schreib - Lese - Speicher (RAM) ist für die Aufbewahrung der zu verarbeitenden Daten vorhanden. Darüber hinaus ist auch noch eine I/O - Schnittstelle (= input/output) vorhanden. Die Eingabe - Schnittstelle kann mit einer Tastatur oder einem Mikrofon verbunden sein. An die Ausgabe - Schnittstelle können ein Monitor, Drucker oder Boxen angeschlossen sein. 6

7 Das Moore sche Gesetz Das Moorsche Gesetz, benannt nach Gordon Moore, der 1965 die These aufstellte, dass die Leistungsfähigkeit und die Anzahl der Transistoren auf einem Chip sich alle 18 Monate verdoppeln. Das Gesetz hat seine Gültigkeit bewiesen. In einem modernen Mikroprozessor befinden sich heute mehr als 40 Millionen Prozessoren, und im Jahr 2015 werden es etwa fünf Milliarden sein. Doch in zehn bis 15 Jahren wird die stetige Optimierung der jetzigen Technik an ihre Grenze stoßen. Der Grund liegt in der Methode der Chipherstellung. Auf einem Chip sind Prozessoren mit dem bloßen Augen nicht mehr erkennbar. Aus was besteht ein Prozessor? Man kann ein Prozessor in vier Bereiche unterteilen: 1. Der erste der vier Bereiche dient zur bearbeitung von Daten und besteht aus der ALU und den Datenregistern. Er wird Datenwerk genannt. 2. Der zweite der vier Bereiche dient der Adreßberechnung und besteht aus dem Befehlszähler und dem Adressregistern. Er wird Adreßwerk genannt. 3. Der dritte der vier Bereiche dient der Befehlsausführung und besteht aus dem Befehlsregister und dem Befehlsdekodierer, mit dem alle Bausteine über Steuerleitungen angeschlossen sind. Er wird Steuerwerk genannt. 4. Der vierte der vier Bereiche dient der Busbehandlung des Prozessors.In diesen Busbehandlung wird gesorgt dass alle ankommende Signale korrekt und fehlerfrei in die CPU übernommen oder nach außen gegeben werden. Ein Prozessor besteht aus einer arithmetisch-logischen Einheit in Verbindung mit einem Zähler und einem Satz von Registern, die alle Daten des Prozessors aufnehmen: Datenregister Adreßregister Befehlsregister Befehlszähler. Ein Prozessor hat einen schnellen Zwischenspeicher, dieser nennt man Register. In diesem Zwischenspeicher werden Zahlenwerte eingetragen die auch wieder entnommen werden können. Der Prozessor kann wesentlich schneller auf den Register zugreifen als auf die Speicherzelle. Befehlssatz ist die gesamtheit der Befehle die ein Prozessor aussführen kann. Diese Befehlen lassen sich in Klasse einteilen Speicher-Operationen: Diese Operationen ermöglichen den Datenaustausch zwischen den verschiedenen Registern und dem Hauptspeicher. 7

8 Arithmetische Operationen: Der Prozessor führt Operationen wie Addition oder Subtraktion aus. Logische Operationen: Boolesche Operationen zum logischen Verknüpfen von Daten. Sprungoperationen: Ermöglichen Verzweigungen in Programmen. Es gibt zwei Arten von Sprüngen: unbedingte Sprünge und bedingte Sprünge an Adressen. Die Geschichte der Prozessortechnik (erster Mikroprozessor mit nur einem Chip) Als große Erfindung war der Mikroprozessor nicht geplant. Das japanische Unternehmen Busicom erteilte Intel im Jahr 1969 den Auftrag, einen Satz Chips für eine programmierbare Rechenmaschine zu entwickeln. Doch nun zählt der Prozessor zu den wenigen Erfindungen, die das Leben der Menschheit entscheidend geprägt haben, er erlaubt die universelle Anwendung der elektronischen Intelligenz. Der Mikroprozessor ist überall dort anzutreffen, wo intelligente und komplexe Steuerungen verlangt werden vom Haushaltsgerät bis hin zum Management von Motoren, Maschinen, Anlagen, Flugzeugen, Raketen oder Raumstationen. Werdegang des Prozessors Im März 1993 lies sich Intel den Namen Pentium urheberrechtlich schützen, der ja jetzt schon fast ein Synonym für die Firma ist. Zur Zeit ist Intel Marktführer im Prozessorenbereich, doch dicht gefolgt von AMD (Advanced Micro Devices), die teilweise sogar schnellere und billigere Prozessorer anbieten als Intel. 8

9 Vergleich verschiedener aktuellen Prozessoren Prozessor Pentium 4 Pentium III / Pentium III T Celeron Codename Williamette/Northwood Coppermine/Tualatin Coppermine/Tualatin Herstellungsprozess (micrometer) 0,18/0,13 0,18/0,13 0,18/0,13 Die-Grösse (mm2) 217/ Taktfrequenz (MHz) bis 2000/bis 2533 bis 1100/bis 1266 bis1100/bis 1300 CPU Sockel Sockel 423, Sockel 478 Sockel 370 Sockel 370 L1 Cache 8 Kbyte 16 Kbyte 16 Kbyte L2 Cache 256/512 KByte 256/512 Kbyte 128 Kbyte L2 Latency MMX Befehlssatz ja ja ja Transistorenanzahl 42,0/55,0 Mio 23 Mio 21 Mio 3D-Befehlssatz SSE 2 SSE SSE Multiprozessor fähig ja ja nein Kernspannung 1,70/1,50 V 1,65 bis 1,70/1,45 V 1,5 V Verlustleistung 50,0 bis 62,0 W 16,7 bis 33,0 W 17,1 bis 19,0 W max. Betriebstemperatur 85 C 75 C 75 C 9