Prozessor

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AMD-K6-2/300 oben
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Intel Pentium III - 733MHz (etwa Jahr 2000)
Intel Pentium III - 733MHz (Unterseite)

Der Prozessor (auch CPU = Central Processing Unit) ist das Herzstück eines Computers. Er besteht bei aktuellen Modellen aus Millionen von winzig kleinen Transistoren. Ohne diese Transistoren wären die logischen, komplexen Schaltungen und Rechenoperationen eines Prozessors undenkbar.


Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Vor dem Jahr 1940 bestanden Computer hauptsächlich noch aus Relais, in den 40er und 50er Jahren begannen die Ingenieure statt der Relais Röhren für PCs zu verwenden, wodurch es möglich wurde, die Größe der damals gefertigten Rechner zu reduzieren und auf das ca. 1000-fache zu beschleunigen.

Als Anfang der 60er Jahre die auch heute noch für Prozessoren verwendeten Transistoren die Röhren ablösten und sich nach und nach durch die Verkleinerung der Bauteile mehrere Transistoren auf einem IC unterbringen ließen, war der Grundstein für die Entwicklung der Prozessoren gelegt. Heute kennt man überwiegend Mikroprozessoren.

Der erste Mikroprozessor wurde von Intel hergestellt, hatte den Namen 4004 und kam 1971 auf den Markt. Er hatte 2300 Transistoren. Der 1995 auf den Markt gebrachte "Intel Pentium 133" Prozessor hatte bereits 5,5 Millionen Transistoren. Heutzutage ist es möglich, immer kleinere Transistoren herzustellen, woraus sich komlexere Schaltungen ergeben. Das führt dazu, dass Prozessoren immer schneller und leistungsfähiger werden. Die Marktführer heutiger Prozessorhersteller sind AMD und Intel.


Bestandteile

  • Steuerwerk
  • Rechenwerk (ALU)
  • Gleitkommawerk (FPU)
  • Adresswerk/Cache (L1)
  • MMU, Crossbar-Switch, SMP-Links
  • sonstiges, überwiegend optional: Multimedia-Erweiterungen, Grafikeinheit, Krypto-Einheit, ...


Steuerwerk

Das Steuerwerk ist die Verwaltung einer CPU. Es ist zuständig für das Holen, Decodieren und Ausführen der Befehle.


Der zu bearbeitende Befehl wird im Befehlregister abgelegt.

Im Befehlsdecoder wird seine Funktion nachgeschlagen.

Diese wird dann an die ALU übermittelt.

Die Ablaufsteuerung ist der eigentliche Punkt wo dann der Befehl ausgeführt wird.

Nun wird das Statusregister geprüft und der neue, im Programmzähler angezeigte, Befehl geholt.


Prinzipiell muss man sich den Aufbau etwa so vorstellen

Steuerwerk.JPG


Rechenwerk (ALU)

Das Rechenwerk ist Bestandteil des Prozessors. Es führt sämtliche arithmetische und logische Operationen durch. Die Information über die auszuführende Operation kommt dabei vom Steuerwerk.


Das Steuerwerk meldet der ALU dabei auf welche Art und Weise die beiden Operatoren verknüpft werden sollen.


Das Ergbenis steht nun im Ergebnisregister.

Die "Eigenschaften" des Ergebnisses werden dann im Statusregister über Flags wie Carray-Flag für Überträge oder Zero-Flag für ein Ergebnis gleich Null angezeigt.

Das Statusregister kann vom Steuerwerk gesetzt und ausgelesen werden.


Prinzipiell muss man sich den Aufbau etwa so vorstellen

Rechenwerk.JPG

(Akkumulator-Prinzip)


Funktionsweise einer CPU

Heutige CPUs arbeiten nach dem EVA Prinzip.

(Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe)


Es bezieht sich sowohl auf die Organisation der Hardware als auch auf das EDV-System (Hard- und Software) als Ganzes. Grundsätzlich kann jede Rechenmaschine jede berechenbare Funktion auch ausrechnen. Sowohl Computer, als auch Programme können somit als Funktionen angesehen werden, die Parameter (E) entgegennehmen, mit diesen Parametern eine Berechnung (V) anstellen und das Ergebnis der Berechnung ausgeben (A). Entgegen der allgemeinen Meinung gehört der Speicher nicht zur Verarbeitung, sondern er hat im EVA-Prinzip eine Art Sonderstellung, er kapselt sich ab. Das wird als EVA (S)-Prinzip ausgedrückt. Dieser Grundsatz wird in seiner Wichtigkeit – ähnlich wie z.B. einfache Addition und Subtraktion in der Mathematik – eben weil er zu einfach und logisch ist, häufig unterschätzt und wird damit zu einer großen Fehlerquelle. Genau so, wie das Vertauschen der Vorzeichen bei komplexen Formeln unweigerlich zu einem falschen Gesamtergebnis führt, wird ein Softwaredesign zu falschen Ergebnissen führen, welches die Verarbeitung von Eingaben vor die eigentliche Eingabe der Werte setzt.


Eingabe


Verarbeitung

  • Prozessor


Ausgabe


Speicherung


Prozessor-Familien

Prozessoren, die (großteils) die selben Maschinenbefehle ausführen können ("Binärkompatibilität"), ordnet man i.A. einer gemeinsamen Prozessorfamilie zu. Weit verbreitete Familien sind z.B.


Anzahl der Transistoren

Transistoren


1993 ca. 2 Millionen

1995 ca. 5 Millionen

1997 ca. 8 Millionen

1999 ca. 18 Millionen

2000 ca. 25 Millionen

2002 ca. 38 Millionen

2004 ca. 70 Millionen

2005 ca. 150 Millionen

2007 ca. 291 Millionen

2008 ca. 410 Millionen

2009 ca. 1 Mrd auf 1 Die

Die enorme Steigerung der letzten Jahre wurde in erster Linie zur Einführung von Mehrkernprozessoren verwendet; z.T. werden mehrere Dice in ein Gehäuse vergossen.

Weblinks

www.amd.com/de AMD-Website

www.intel.com/deutsch Intel-Website

users.erols.com/chare/elec.htm Übersicht über den Verbrauch der Prozessoren