Inhaltsverzeichnis 1. CHRONIK DER CPU... 3 2. ZENTRALEINHEIT... 4 3. PROZESSOR / CPU... 4 3.1. LEITWERK...4 3.2. RECHENWERK...4 4. KERNGRÖSSEN... 5 4.1. MEGAHERTZ, MIPS UND MFLOPS...5 4.2. ARCHITEKTUR, CISC UND RISC...5 5. ABLAUFSCHRITTE EINER BEFEHLSVERARBEITUNG... 5 6. MODERNE CPUS UND CHIPSÄTZE... 6 6.1. CACHE...6 6.2. COPROZESSOR...6 6.3. PREFETCH...6 6.4. FUNKTIONSEINHEITEN...6 6.5. PIPLINE...6 6.6. SKALARE...7 6.7. ABHÄNGIGKEITEN...8 7. HOCHTAKTEN... 8 8. GLOSSAR... 8 8.1. BEGRIFFSERLÄUTERUNGEN...8 8.2. ABKÜRZUNGEN...9 9. QUELLEN...11 Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 1 -
1. Chronik der CPU In den 30er Jahren entwickelte Konrad Zuse in Deutschland und Howard H. Aiken in den USA unabhängig voneinander Rechenautomate, die auf Basis des Dualsystems arbeiteten. Diese Maschinen arbeiteten mit mechanisch betriebenen Zählrädern und elektromechanischen Relais (Aikens Mark-I brauchte über 700 000 Einzelteile, 3000 Kugellager, 80 km Leitungsdraht, eine 15 m lange und 2,5 m hohe Wand). Mitte der 40er Jahre machten sich Eckert und Mauchly die hohe Schaltgeschwindigkeit von Elektronenröhren zu nutze (ENIAC). Im Jahr 1949 arbeitete der US-Militärcomputer (EDSAC) erstmals mit dem von John von Neumann erdachten Funktionsprinzip, das noch heute angewandt wird (s. Punkt CPU). In den 50er Jahren fing man an mit Transistoren Rechenmaschinen zu entwickeln. Transistoren hatten kürzere Schaltzeiten, viel kleinere Abmessungen und erheblich geringere Verlustleistungen (in Form von Wärme). Ende der 60er Jahre gelang es mehrere Transistoren auf kleinen Siliziumplättchen zusammen aufzubringen. Dieses Plättchen war mit Anschlüssen versehen, wodurch man es in das Innere eines Gehäuses integrieren (integrierte Schaltung = IC = Integrated Circuit) konnte: der Prozessor war geboren (s. Bild 01 u. Bild 02) Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 2 -
2. Zentraleinheit Eine Zentraleinheit (central unit) ist eine Funktionseinheit eines Rechner, die mehrere Hauptbauteile beinhaltet (Bild02): Hauptspeicher (RAM) Prozessor (CPU) sowie die zusätzlichen Bauteile: Coprozessor Pufferspeicher (Cache) Ein-/Ausgabeeinheit (Input-/Output-Unit) Festwertspeicher (ROM) 3. Prozessor / CPU CPU steht als Abkürzung für die englischen Worte Central Processing Unit zu deutsch "zentrale Prozeß Einheit". Sie ist das Kernstück eines Rechners. Die CPU kann sehr heiß werden, wenn sie arbeitet. Deshalb gehören physikalisch zur CPU ein oder mehrere Kühlkörper und ein oder mehrere Lüfter. Die CPU setzt sich intern aus dem Leitwerk und Rechenwerk zusammen (s Bild 03 u Bild 04). 3.1. Leitwerk Das Leitwerk besteht aus logischen Schaltungen und Registern (Befehlszähler, Befehlsregister, Statusregister). Oft wird das Leitwerk auch als Steuerwerk bezeichnet. Für den Rechner nimmt es die gesamten Koordinationsfunktionen wahr: Befehle und Daten aus dem Speicher holen, die Befehle in einer der Maschine verständlichen Darstellungsform entschlüsseln, für die Ausführung erforderlichen Steuersignale abgeben, übernehmen der Verarbeitungsergebnisse und weiterleiten an andere Funktionseinheiten, bzw. Zurückschreiben der Ergebnisse in den Hauptspeicher. Die Programmablaufgeschwindigkeit wird durch den Taktgeber des Leitwerkes bestimmt (s Bild 03 u Bild 04). 3.2. Rechenwerk Es verknüpft die vom Leitwerk bereitgestellten Daten. Hier werden arithmetische und logische Operationen (Vergleichen, Verschieben, Vorzeichenbestimmung, Umformen, Runden) durchgeführt (Arithmetical Logical Unit: ALU). Das Rechenwerk arbeitet entweder mit Dualzahlen. Aus Vereinfachungsgründen werden Rechenoperationen in elementare Additionen aufgelöst. Es besteht im wesentlichen aus Registern und binären Schaltnetzwerken (s Bild 03 u Bild 04). Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 3 -
4. Kerngrößen 4.1. Megahertz, MIPS und MFLOPS Die Geschwindigkeit eines Prozessors wird in MHz (Megahertz) angegeben, d.h. die maximale Frequenz mit der eine CPU getaktet werden kann. Da diese Angabe zum Vergleichen von CPUs nicht reicht werden oft zusätzliche die MIPS (Millions of Instructions per Second) und die MFLOPS (Millions Floating-Point Operations per Seconds) angeben. 4.2. Architektur, CISC und RISC Oft wenn über Prozessoren geredet wird hört man den Begriff Architektur. Darunter versteht man das technische Prinzip bzw. das Verfahren, nach dem Daten und Programme verarbeitet werden. Hier bei werden CISC- und RISC- Prozessoren unterschieden. CISC (Complex Instruction Set Computing) sind Allrounder, d.h. Alleskönner. Sie verarbeiten einen komplexen Befehlssatz. Das abarbeiten solcher mächtigen Befehle erfordert meistens mehrere Taktzyklen. RISC (Reduced Instructions Set Computing) hingegen verarbeiten kleinere Befehlssätze. Sie können oft in einem einzigen Taktzyklus verarbeitet werden. Komplexe Befehle werden zerlegt. Es wird zwar schneller verarbeitet, jedoch sind zusätzliche Zwischenspeicher (Register) im Prozessor erforderlich. 5. Ablaufschritte einer Befehlsverarbeitung (von Neumann Zyklus): 1. Befehle holen: Zunächst muß ein Befehl aus dem Speicher (eventuell aus einer der Register) geladen werden. 2. Befehle dekodieren: Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte. Es entscheidet, welche Operation (Addition, Subtraktion, logische Verknüpfung usw.) die ALU auszuführen hat, und holt gegebenenfalls die für den Befehl noch benötigten Daten (Operanden) aus dem Speicher. 3. Befehl ausführen: Die gewünschte Operation wird mit den geladenen Daten ausgeführt. 4. Daten zurückschreiben: Das Ergebnis der Operation wird in einen der Registeroder in den Hauptspeicher zurückgeschrieben. 5. Befehlszähler hochsetzen. Schritte 1, 2, 4 und 5 werden vom Steuerwerk ausgeführt. Der 3. Schritt vom Rechenwerk. Die Schritte werden sequentiell ausgeführt, d.h. im Prozessor werden die Befehle der Reihe nach abgearbeitet. Die Arbeitsweise stellte sich im Laufe der Jahre als Engpaß dar, weil es nur einen Adressbus und Datenbus in der Zentraleinheit gab. Da jedoch heute z. B. Prozessor- und Speichertakt sehr differieren, wurden nach Möglichkeiten gesucht diese Engpässe zu erweitern. Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 4 -
6. Moderne Prozessoren und Chipsätze So wurde eine hierarchisch gegliederte Speicherstruktur mit Registern und verschiedenen Cache-Ebenen eingeführt. Die sequentielle Befehlsausführung wird in der CPU nach Kräften prallelisiert. Dazu kamen unter anderem mehrere neue Funktionseinheiten (z. B. Coprozessor) und Ausführungsebenen (Pipeline- Verfahren). Hier einige von ihnen: 6.1. Cache Ist ein Speicher, der Daten vorübergehend aufnimmt, die von einer Funktionseinheit zu einer anderen übertragen werden. Werden dort eingesetzt wo Einheiten unterschiedlicher Geschwindigkeit zusammenarbeiten. Auf ihn kann schneller zugegriffen werden. Meist wird er zwischen CPU und Hauptspeicher geschaltet (s Bild 03 u Bild 04, u Punkt 9.1.). 6.2. Coprozessoren Coprozessoren arbeiten im allgemeinen ziemlich ungestört parallel zum Hauptprozessor. Es handelt sich meist um Fließkommaprozessoren (s Bild 03 u Bild 04, u Punkt 9.1.). 6.3. Prefetch Der Befehlscode wird nicht erst herangeschafft, wenn er benötigt wird, sondern bereits vorausschauend eingelesen (prefetch) und in der Prefetch-Queue zwischengespeichert. 6.4. Funktionseinheiten Modernere Prozessoren haben nun auch die Execution-Unit in mehrere kleinere Einheiten (z.b. Instruction-Fetch, Instruction Decode, Execution, Memory Access und Write Back) zerlegt, mit dem Ziel, daß immer ein Befehl pro Takt nachgeschoben werden kann. 6.5. Pipeline Wie beim einem Fließband wird die Befehlsabarbeitung in kleinere Unterschritte zerlegt, so daß dann gleichzeitig an mehreren nachfolgenden Befehlen gewerkelt werden kann. Die Befehlsausführungszeit wird dadurch nicht kürzer, aber der Durchsatz steigt erheblich (kleinere `Latency-Time ). Verkleinert man weiter den Aufgabenbereich der Einheiten, können das ganze Fließband oder Teile davon auch schneller laufen. Der interne Pipeline-Takt ist dann teilweise höher als der externe Prozessortakt, so lassen sich mehrere Befehle pro Takt fertigstellen. Solche beschleunigten Pipelines tragen den Namen Superpipeline, sie bestehen aus sechs, acht und mehr Stufen. Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 5 -
6.6. Skalare Die nächste Beschleunigungsmethode liegt auf der Hand, statt eines einzigen Fließbandes kann man ja auch mehrere installieren. Man erhält so den `superskalaren Prozessor, der oft auch superpipelined ist. Diverse Einheiten können parallel laufen, seien es mehrere Rechenwerke (ALUs) mit tieferen Pipelines oder spezifische Funktionseinheiten. 6.7. Abhängigkeiten Während Pipelines am meisten mit falsch vorhergesagten Verzweigungen kämpfen, haben Superskalare das Problem, das serielle Programm in parallel ausführbare Befehle zu zerlegen. Sonst stehen die Fließbänder unbenutzt herum Die Hauptprobleme bei der Parallelisierung sind Abhängigkeiten zwischen den Befehlen und die Mehrfachbenutzung der spärlichen Register. Eine Beschleunigung eines Computers hängt aber leider nicht nur von der Weiterentwicklung eines Prozessors, sondern auch weiteren Komponenten wie Software, externer Bustakt usw. ab. Eine weitere Beschleunigungsmethode ist das Hochtakten oder auch Übertakten. 7. Hochtakten Generell warnen Computermagazinen und Hersteller vor dem sogenannten Übertakten (overclocking) einer CPU, wegen dem Risiko des ausbrennens oder schmilzens. Wer trotzdem eine Leistungssteigerung durch Übertaktung erreichen will, geht auf jedenfall das Risiko ein, das die Herstellergarantie verfällt und die Prozessorlebensdauer deutlich sinken kann. Trotzallem sagt man unter der Hand das eine Übertaktung um ca. 10%, auf Dauer sehr gut möglich ist. Wer sich entschließt seine CPU zu frisieren, sollte auf jedenfall damit rechnen das die CPU - durch die Leistungsänderung - mehr Strom braucht, was zur Folge hat das auch mehr Wärme entsteht. Deshalb sollten zusätzliche oder größere Kühlkörper sowie CPU-Lüfter eingebaut werden. 8. Glossar Häufig werden in Fachzeitschriften und Hersteller-Handbücher Begriffe benutzt die eine Erläuterung bedürfen. Hier einige Beispiele zum Verständnis: 8.1. Begriffserläuterungen Benchmark Maßstabs-Tests um Rechenleistungen von CPUs oder auch Software/Hardware zu ermitteln, sehr subjektiv da Ergebnisse von vielen Faktoren abhängen (Bild 05) Bus ist ein Verbindungsystem, das von allen angeschlossenen Einheiten gemeinsam genutzt wird Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 6 -
Cache (Puffer) Speicher, der Daten vorübergehend aufnimmt die von einer Funktionseinheit zu einer anderen übertragen werden, genutzt bei Takt differierenden Einheiten, auf ihn kann schneller zugegriffen werden L1-Cache Puffer, integriert in der CPU (Prozessor-Cache) L2-Cache Puffer, zwischen CPU und RAM, um noch schneller auf den RAM zuzugreifen (neuere CPUs haben den L2 intern) Coppermine Überarbeiteter Pentium III (s. a. Katmai) Coprozessor oder auch FPU (Floating Point Unit = Fließkommaeinheit) wird zusätzlich eingesetzt zur Beschleunigung der Verarbeitungsgeschwindigkeit der CPU, erledigt umfangreiche mathematischen Berechnungen Katmai Pentium III, Vorgänger des Coppermine (Bild 06) Klamath Pentium II, Intels CPU-Namen sind in der Entwicklungsund Prototypenphase nach kalifonischen Flüssen gewählt RAM Random Access Memory, Speicher mit wahlfreiem Zugriff (z.b. Hauptspeicher) Register CPU interne Speicher oder anderer elektronischer Baueinheiten, dienen zur Zwischenpeicherung von Angaben, die während der Verarbeitung sofort wieder greifbar sein müssen, beschränkte Kapazität Slot Schlitz, Buchsenleiste, Steckfassung, Kontaktleiste: für Steckkarten oder CPU, wenn eine CPU für einen Slot ist so ist sie auf Trägerplatte und wird wie eine Steckkarte in eine Kontaktleiste auf Mainboard eingesetzt Sockel rechteckige Steckfassung für CPUs, z. B. Sockel 5, Sockel 7, Sockel Super 7, Sockel 370 ZIF-Sockel (Zero Insertion Force) zur Installation der CPU kein Kraftauwand, wird mit kleinen Hebel arretiert Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 7 -
Auch mit Abkürzungen wird im Computerbereich nicht gespart. 8.2. Abkürzungen IDU (s. Bild 07 u. Bild 08) EXU (s. Bild 07 u. Bild 08) COL (s. Bild 07 u. Bild 08) BIL (s. Bild 07 u. Bild 08) DC (s. Bild 07 u. Bild 08) CC (s. Bild 07 u. Bild 08) BUI Busschnittstelle ZIF Zero Insertion Force ALU Arithmetical Logical Unit MHz Megahertz FPU Floating Point Unit RAM Random Access Memory MMX Multimedia Extensions SIMD Single Instruction Multiple Data KNI Katmai (PIII) New Instructions 9. Quellen Literatur Einfache IT-System, Stam Verlag, 2000 Handbuch, Topedo Verlag, 2000 Computer Wörterbuch, Buch und Zeit Verlag, 1994 Handlungsfeld Wirtschaftsinformatik/Organisation, Stam Verlag, 1998 Wirtschaftsinformatik I, Hansen, 1998 C t, Heise Verlag, mehrere Jahrgänge Internet www.tecchannel.de www.de.tomshardware.com www.heise.de/ct www.pc-magazin.de http://home.germany.net www.tu-chemnitz.de Stand: 20.12.00 Autro: Claudio Walter Steite - 8 -