Sascha Dedenbach Heinrich-Hertz Berufskolleg 02.11.2001-11-06 Klasse: IA11 Der Prozessor, das Herzstück eines Computers
Inhaltsübersicht 1. Der Prozessor, das Herzstück eines Computers...Seite 3 2. Wie arbeitet ein Prozessor und welche Aufgabe hat er?...seite 4 3. Elemente und Funktion des Prozessors...Seite 5 3.1. Bestandteile eines Prozessors...Seite 5 3.2. Arbeitsweise eines Prozessors...Seite 7 4. Beschreibung der einzelnen Bestandteile 4.1. Ablaufssteuerung...Seite 8 4.2. Befehlszähl-Einrichtung und Adressregister...Seite 8 4.3. Befehlsregister mit Befehlsdecoder...Seite 8 4.4. Arithmetische und Logische Einheit mit Akkumulator und Statusregister...Seite 8 5. Bauliche Entwicklung...Seite 10 6. Historie und Marktübersicht 6.1. INTEL-Prozessoren...Seite 11 6.2. AMD Prozessoren...Seite 12 6.3. Cyrix Prozessoren...Seite 13 7. Quellennachweis...Seite14 8. Glossar...Seite 15
1.Der Prozessor, das Herzstück eines Computers Der Prozessor, abgekürzt auch als CPU (Central Processing Unit) bezeichnet, ist das Herzstück eines jeden Computers. Er wird auf dem Mainboard montiert, entweder in einen Sockel oder in einen Slot gesteckt. Des Weiteren muss ein Lüfter darauf montiert sein, da die CPU sich bei Gebrauch stark erwärmt. Aber warum ist der Prozessor das Herzstück eines Computers, wenn ein Computer doch aus so vielen verschieden Komponenten besteht? Das folgende Schaubild (Bild 1) soll die Rolle des Prozessors verdeutlichen. Grundlegendes Blockschaltbild eines PCs (Tastatur) (Monitor) Bild1 Wie man bereits in diesem Schaubild deutlich erkennen kann, spielt der Prozessor eine zentrale Rolle im Aufbau eines PCs. Die folgenden Ausführungen geben einen Überblick über die Arbeitsweise, die bauliche Entwicklung, die Funktion und Elemente, sowie die historische Entwicklung von Prozessoren. Darüber hinaus wird auf die aktuelle Situation auf dem Prozessormarkt eingegangen. -3-
2. Arbeitsweise und Aufgabenspektrum eines Prozessors Der Prozessor ist ein System von Transistoren (im Prinzip sehr kleinen elektrischen Schaltern), das das Rechnen im Binärsystem ermöglicht (hierbei entspricht etwa die Schalterstellung "aus" oder "off" dem Zustand 0, die Stellung "an" oder "on" dem Zustand 1). Die meiste Zeit verbringt der Prozessor mit der Abarbeitung von Befehlen. Derartige Befehle ergeben für den Benutzer meist erst im größeren Zusammenhang einen "Sinn". 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 und dann zu einer gespeicherten Befehlsfolge gesprungen wird, die für die Abwicklung des unvorhergesehenes 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. Die Erwärmung des Prozessors kommt vor allem deswegen zustande, weil Prozessoren auf geringe Abmessungen optimiert sind, das bedeutet: 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 aneinander liegende Leitungen. Da durch den materialbedingten Widerstand Strom in Wärme-Energie umgesetzt wird, verstärkt sich der Effekt. -4-
3. Elemente und Funktion des Prozessors Im Groben unterscheidet man zwei Arten von Prozessoren: Zum einen den RISC (=Reduced Instruction Set Code). Er wird zumeist im Großrechenanlagen verwendet und hat einen reduzierten einfachen Befehlssatz, er arbeitet jedoch sehr schnell. Zum anderen den CISC (=Complex Instruction Set Code), mit einem erweiterten Befehlssatz, der in Home-PCs verwendet wird. Von Ihren Elementen und Ihrer Funktion unterscheiden sie sich aber kaum. Der Begriff Befehlssatz wird später noch erläutert. Die interne Struktur eines Prozessors ist im Grunde immer dieselbe. Sie hat sich seit seiner Erfindung kaum geändert. Neuartige Prozessoren haben zum Beispiel einen größeren Befehlssatz oder einen größeren Datenbus. 3.1 Bestandteile eines Prozessors Der Prozessor besteht aus folgenden Komponenten: 1. Ablaufssteuerung 2. Befehlszähleinrichtung und Adressregister 3. Befehlsregister mit Befehlsdecoder 4. Rechenwerk oder ALU: Arithmetische und Logische Einheit, Akkumulator und Statusregister Diese Komponenten werden im Folgenden näher erläutert. Vorerst wird die folgende Zeichnung (Bild 2) zeigen wie diese Komponenten (vereinfacht) zusammenhängen. -5-
Aufbau des Prozessors 2 1 4 3 Bild 2 Die ersten drei Elemente Gehören zum Steuerwerk (auch Control Unit genannt). Diese sorgen dafür, dass sowohl die Daten aus dem Speicher geholt und zur Verfügung gestellt werden, als auch die Befehle erkannt und ausgeführt werden. Zur Arithmetischen und Logischen Einheit (ALU) gehört der Statusregister und der Akkumulator. Alle Speicher in einem Prozessor nennt man üblicherweise Register. Der Akkumulator ist ein besonderes Register, der sehr eng mit der Alu verknüpft. -6-
3.2 Arbeitsweise eines Prozessors Bei der Verarbeitung von Befehlen spielen sich immer die folgenden Schritte ab ( unabhängig vom Prozessortyp): Der Prozessor sendet in der Adressleitung die Signale der Speicherzeile, in dem sich der nächste zu bearbeitende Befehl befindet. Er liest mit einem Steuersignal diesen Befehl und speichert ihn im Befehlsregister ab. Er stellt fest, um welchen ihm bekannten Befehl (abhängig vom Hersteller) es sich handelt. Dies kann man auch als Entschlüsselung des Befehls bezeichnen. Falls für die Ausführung dieses Befehls noch Daten notwendig sind, holt er sich die Daten aus dem Speicher oder führt ihn sofort aus. Ist der Befehl abgearbeitet, holt er sich den nächsten Befehl aus dem Speicher. Dies kann man auch anhand eines Flussdiagramms (Bild 3) leicht darstellen. Arbeitsweise des Prozessors Bild 3-7-
4. Beschreibung der einzelnen Bestandteile 4.1 Ablaufsteuerung Die Ablaufsteuerung erzeugt alle internen und externen Steuersignale für das Holen und Ausführen von Befehlen. Jeder Befehl erzeugt eine bestimmte Reihe von Signalen (auch Sequenz genannt) die nötig sind, um diesen Befehl auszuführen. Deshalb spricht man bei der Ablaufsteuerung auch vom Steuer- Sequenzer. Die Steuersequenzen aller möglichen Befehle sind in einem Programmspeicher abgespeichert. Je nach Prozessor Hersteller können diese Sequenzen unterschiedlich sein. 4.2 Befehlszähl-Einrichtung und Adressregister Im Speicher sind die Befehle hintereinander abgespeichert. Die Befehlszähleinrichtung steuert die Reihenfolge, in der die Befehle abgearbeitet werden. Sie besitzt meist einen 16-Bit Zähler (siehe Bild 2), der nach jedem Befehl um eins erhöht wird. Somit liefert er die Adresse des Speichers an dem sich der nächsten Befehl befindet. Der Adressregister wird zu Beginn jeder Befehlsholphase mit dem Inhalt des Zählers geladen. 4.3 Befehlsregister mit Befehlsdecoder Der über den Adressregister ermittelte Befehl gelangt in den Befehlsregister. Im Befehlsdecoder wird ermittelt, welchem Befehl diese Daten entsprechen. Das Ergebnis dieser Decodierung wird schließlich der Ablaufssteuerung übermittelt. 4.4 Arithmetische und Logische Einheit mit Akkumulator und Statusregister Die Arithmetische Logikeinheit, auch kurz ALU genannt, ist sozusagen der Taschenrechner für die CPU. Die eigentliche Verarbeitung der Daten erfolgt hier. Man nennt die Daten, die verarbeitet werden auch Operanden. Die ALU kann einen oder zwei Operanden verarbeiten. Wie und in welcher Form die Verarbeitung erfolgt, das heißt welche Operation in der ALU ausgeführt wird, hängt von dem gerade auszuführenden Befehl ab. Man unterscheidet zwischen arithmetischen und logischen Operationen. -8-
Zur ALU gehört das Status-Register und der Akkumulator (kurz Akku). Für die Zuführung der beiden Operatoren besitzt die ALU zwei Eingangskanäle. Der eine Operand gelangt über den Daten Bus(Register) in die ALU, der andere über den Akkumulator(ein Spezieller Register). Das Ergebnis einer arithmetischen oder logischen Operation in der ALU wird im Akku abgelegt. Das Ergebnis, das man nach der Prozedur bekommt, kann man gleich in die nächste mit einbeziehen. Der Datenverkehr von und zu den Eingabe- und Ausgabeeinheiten verläuft über den Akkumulator. Der Akkumulator hat somit eine zentrale Funktion im Prozessor. Beispiele: Arithmetische Operationen: - z.b. eine Addition zweier Operanden (01010010 + 10000100 = 11010110) Logische Operationen: - z.b. eine Bit-für-Bit-UND-Verknüpfung (10011101 & 11000111 = 10000101) Im Statusregister wird durch Setzten oder Löschen einzelner Bits angezeigt, ob bei der Rechenoperation eine Besonderheiten Aufgetreten ist. Nachfolgend sind Bezeichnung und Bedeutung einiger Statusbits zusammengefasst: Carry - Bit (CY) = 1: Überlauf ist aufgetreten (d.h. Anzahl der zugewiesenen Bits Überschritten) Carry - Bit= 0 : kein Überlauf Zero - Bit (Z) = 1: Ergebnis ist null Zero - Bit= 0: Ergebnis ist ungleich null Negativ - Bit (N) = 1: Ergebnis ist Negativ Negativ - Bit= 0: Ergebnis ist Positiv Parity - Bit (P) = 1: Anzahl der Bits mit dem Wert 1 ist geradzahlig Parity - Bit= 0: Anzahl der Bits mit dem Wert 1 ist ungeradzahlig -9-
5. Bauliche Entwicklung Lange Zeit setzte der marktführende Chip-Gigant Intel auf Sockel-Prozessoren (z.b. Pentium oder Pentium MMX im Sockel 7, der Pentium Pro im Sockel 8). Der Prozessor hat, wie auf dem Bild erkennbar, nahezu quadratische Ausmaße und wird flach auf das Mainboard aufgelegt. An der Unterseite befinden sich viele Pins (im Prinzip Leitungsaus- und -eingänge), die genau in die auf dem Mainboard vorhandenen Öffnungen passen. Sockel Bild 4 Für kurze Zeit stieg man auf Slot-Prozessoren (z.b. Pentium II und Pentium III im Slot 1, Xeon im Slot 2) 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 (vormals auf dem Mainboard) befand. Slot Bild 5-10-
Nachdem sich herausstellte, dass der Sockel einige Vorteile mit sich brachte (unter anderem auch wirtschaftliche: Ein Sockel-Prozessor verursacht weniger Transport-Kosten) und bessere Fertigungs-Methoden zur Verfügung standen (engere Anordnung von Transistoren, im Bereich von 0,16 µm), stieg man wieder auf den Sockel um, der daraufhin die Bezeichnung Socket 370 trug. Auch die Konkurrenz, allen voran AMD mit dem K6-2, K6-3 und vor allem dem Athlon, ging mit der Sockel-/Slot-Politik einher, und nun sind auch diese Prozessoren wieder auf Sockets beheimatet. Lange Zeit war die Taktfrequenz das Um und Auf im Prozessorgeschäft, jedoch ist nun eine gewisse Grenze überschritten, da für normale Büro- Anwendungen kaum 1,7 GHz eines Pentium 4 gebraucht werden. Abgesehen davon schlägt der Athlon mit 1,3 GHz den Intel-Konkurrenten trotz 400 MHz mehr Taktfrequenz dennoch in fast allen Bereichen in punkto Geschwindigkeit. 6. Historie und Marktübersicht 6.1. INTEL-Prozessoren Die Firma INTEL ist zur Zeit mit 85% Marktanteil der weltweit führende Hersteller von Prozessoren. Seit 1971 produziert INTEL Prozessorgenerationen, die zueinander abwärtskompatibel sind. Gerade diese Art der Herstellung ist für den Anwender von sehr großer Bedeutung, und deshalb wird INTEL von dieser technisch recht aufwendigen Entwicklung nicht abweichen. Die Abwärtskompatibilität der verschiedenen Prozessorgenerationen gewährleistet, dass eine Software, die auf einem aktuellen Prozessor läuft, auch bei nachfolgenden "neueren" Prozessoren problemlos läuft. INTEL-Prozessoren stellen durch ihre Kompatibilität zu den wichtigen Softwareprodukten, wie z.b. MS Word oder EXCEL, den Standard für den PC-Prozessor dar. Andere Prozessorhersteller wie z.b. AMD und Cyrix müssen ihre Produkte an diesem Standart (von INTEL) festklammern, um überhaupt auf dem Prozessormarkt bestehen zu können. Andernfalls würde der Anwender sich nicht für einen Prozessor interessieren, der nicht zu den Programmen wie MS Word oder EXCEL kompatibel ist. Das heißt aber noch lange nicht, dass INTEL die besseren Prozessoren hat. INTEL hatte den Durchbruch erst mit dem -11-
Prozessor 8080 geschafft. Dies war der erste Prozessor in einem Personalcomputer, der zu etwas "taugte." Auf diesem Prinzip sind heute fast alle Prozessoren hergestellt. Momentan sind zwei verschiede Prozessorgehäusen im Umlauf. Das bisher produzierte Prozessorgehäuse aus Keramik ist zur Zeit noch am häufigsten im Einsatz. Diese sogenannten "PGA" (= Pin Grid Array) verfügen an der Unterseite über 168 bis 273 leicht verbiegbare Kontaktstifte. Im Gegensatz dazu gibt es die neueren Gehäusen, die sogenannten "PQFP" (Plastic Quad Flat Pack). Bei dieser Gehäuseform sind die Kontakte an den Außenkanten mit federnden Kontakten versehen. PQFP-Prozessor Bild 6 6.2. AMD - Prozessoren Auch wenn die Firma INTEL die erfolgreichste ist, so hat sie doch keineswegs eine Monopolstellung. Es gibt noch zwei wichtige CPU-Hersteller: AMD und Cyrix. AMD (Advanced Micro Devices) z.b. kann auf dem Markt nur mithalten, weil es sich am Marktführer INTEL orientiert. Dadurch ist es ihnen möglich, ihre Produkte viel günstiger zu verkaufen, da die Entwicklungskosten entfallen. Ein wichtiger Aspekt ist, dass diese unterschiedliche Prozessortypen zueinander kompatibel sein müssen. -12-
6.3. Cyrix Prozessoren Die texanische Cyrix Corporation konnte mit der Einführung von 386er- Prozessoren seinerseits erfolgreich mithalten. Das Unternehmen hatte sich damals in erster Linie auf die Herstellung der zum INTEL-386er passende Coprozessor spezialisiert. Doch Cyrix hat nur noch einen geringen Markanteil. -13-
7. Quellennachweis Literatur Franz Derriks, Norbert Meyer: "Einführung in die Mikrocomputer Technik" Folgende Seiten wurden benutzt: 13-29 und 63-70 Mansfeld, Ehrkamp und Dralle: "Hardware Power!" Folgende Seiten wurden benutzt:190-192 und 206-208. Internet und sonstige Quellen www.computerlexikon.com www.tfh-berlin.de www.netlexikon.akademie.de Multimedia CD Computer selbst zusammenbauen IFA-Verlag GmbH, Berlin u. Bonn Abbildungsverzeichnis Bild 1 : Einfache IT-Systeme, Seite 9, Bild 1.1...Seite 3 Bild 2 :www.hw.pf.bw.schule.de/pchw/micro/micro.htm...seite 6 Bild 3 :www.hw.pf.bw.schule.de/pchw/micro/micro.htm...seite 7 Bild 4 :Multimedia CD Computer selbst zusammenbauen...seite 10 IFA-Verlag GmbH, Berlin und Bonn Bild 5 : www.tomshardware.de...seite 10 Bild 6 :www.national.com/packaging/folders/vef44a.htm...seite 12-14-
GLOSSAR Einleitung: CPU ist die Abkürzung für Central Processing Unit (übersetzt: "Zentralprozessoreinheit") und bezeichnet den Prozessor. Das Mainboard ist ein zentrales "Brett", von dem alles angesteuert wird. Auf dem Mainboard sitzt der Prozessor, der alle Geräte ansteuert. Aus dem Mainboard bezieht der Prozessor auch seinen Strom. Am Mainboard sitzen die PCI-Schächte, ISA-Schächte und meist ein AGP-Schacht(speziell für Grafikkarten). An das Mainboard wird ebenfalls die Festplatte, CD-ROM- Laufwerk und das Diskettenlaufwerk angeschlossen. Ein Sockel ist ein Aufsatz auf dem Mainboard, durch den der Prozessor mit den restlichen Komponenten des Computers wie Hauptspeicher, Festplatten usw. verbunden wird. Als Slot bezeichnet man Steckplätze, die Steckkarten oder Prozessoren aufnehmen können Eingabeeinheit: zum Beispiel Tastatur, Mouse, Scanner,... Ausgabeeinheit: zum Beispiel Monitor, Drucker,... Abschnitt 1.) Das Binärsystem wird vom Computer verwendet. Es gibt nur die Zahlen 0 und 1. Entweder fließt der Strom (1) oder er fließt nicht (0). Ein Interrupt ist ein Signal, das von einem an den Computer angeschlossenen Gerät ausgesandt wird. Ein Interrupt-Signal wird auch als IRQ bezeichnet. Stack: Da ein Prozessor nur eine begrenzte Zahl von Registern zur Verfügung stellt, benötigen praktisch alle Programme zusätzliche Speichermöglichkeiten. Eine davon sind die sogenannten Stapelspeicher (Stack). Abschnitt 2.) Die Abkürzung RISC steht für "reduced instruction set computer" ("Computer mit reduziertem Befehlssatz"). Die RISC-Technologie wird bei einigen -15-
modernen Prozessoren wie dem PowerPC-Chip, dem Alphachip und auch dem Pentium verwendet. Die CISC (complex instruction set computing) Technologie bedeutet, das der Prozessor einen sehr grossen Befehlssatz und Adressierungen direkt im Design des Siliziums enthält. Der Befehlssatz bezeichnet die Gesamtheit aller Befehle, die ein Prozessor kennt und verarbeiten kann. Der Datenbus beseht aus Leitungen über die der Prozessor Daten sendet und empfängt. Je mehr Leitungen zur Verfügung stehen, desto mehr Daten können pro Taktpuls verarbeitet werden. Abschnitt 3.2.) Bit (Abk. f. "binary digit", "Binärziffer") ist die Bezeichnung für die kleinste Informations- und Speichereinheit in einem Rechner. Ein Bit kann die Werte 1 und 0 annehmen. Durch die Aneinanderreihung dieser beiden Ziffern kann jede beliebige Information dargestellt werden. Abschnitt 3.4.) Arithmetisch heißen Verknüpfungen wie +, - Logisch heißen Verknüpfungen wie und, oder. Abschnitt 4.) INTEL, AMD, Cyrix sind Hersteller von Prozessoren. Athlon ist ein Prozessortyp hergestellt vom der Firma AMD. Die Taktfrequenz bezeichnet die Anzahl der Arbeitsschritte pro Sekunde. Der Cache (sprich "Käsch") ist ein Speicher, der zum Zwischenspeichern von Daten dient. Mit Second Level Cache bezeichnet man den außerhalb der CPU auf dem Mainboard installierten Prozessor-Cach. -16-