Prozessor (Hardware)

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Der Prozessor ist eine Recheneinheit eines Computers, der über Software andere Bestandteile steuert. Die grundlegende Eigenschaft des Prozessors ist die Programmierbarkeit, das Verhalten des Prozessors wird dabei von Programmen in Form von Maschinencode bestimmt. Hauptbestandteile des Prozessor sind die Register, das Rechenwerk (Arithmetic Logical Unit, ALU), das Steuerwerk und der Speichermanager (Memory Management Unit, MMU), der den Arbeitsspeicher verwaltet. Zu den zentralen Aufgaben des Prozessors gehören arithmetische Operationen, das Lesen und Schreiben von Daten im Arbeitsspeicher sowie das Ausführen von Sprüngen im Programm.

Computer bestehen meist aus wenigen Prozessoren, wobei der Hauptprozessor alle weiteren steuert. Im allgemeinen Sprachgebrauch ist mit „Prozessor“ meist der Zentralprozessor (CPU) eines Computers gemeint, also das funktionale Kernstück eines elektronischen Rechners, das heute normalerweise auf einem Mikrochip integriert ist. Die moderne Form des Prozessors ist der Mikroprozessor, der alle Bausteine des Prozessors auf einem Chip vereinigt.

Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung 2 Aufbau 3 Steuerung durch Befehle 4 Befehlsbearbeitung 5 Befehlssatz 6 Grundlegende Buskonzepte der Prozessoren 7 Prozessor-Core 8 Übersicht über verschiedene Prozessorarten 9 Weblinks

[Bearbeiten] Entwicklung

In den 1930er Jahren bestand das Rechenwerk eines Computers zunächst aus Relais und mechanischen Bauelementen. Die ersten Computer waren also elektromechanische Rechner, die langsam und äußerst störanfällig waren. Noch in den 1940ern begann man damit, Computer mit Hilfe von Röhren zu bauen. Die Rechner wurden schneller und weniger störanfällig. Waren diese Rechner anfangs teure Einzelprojekte, so reifte die Technik im Laufe der 1950er Jahren immer mehr aus. Röhrenrechner wurden nach und nach zu Massenartikeln, die für Universitäten, Forschungseinrichtungen und Firmen durchaus erschwinglich waren. Um dieses Ziel zu erreichen, war es notwendig, die Anzahl der benötigten Röhren auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Aus diesem Grund setzte man Röhren nur dort ein, wo sie unabdingbar waren. So begann man damit, Hauptspeicher und CPU-Register auf einer Magnettrommel unterzubringen, Rechenoperationen seriell auszuführen und die Ablaufsteuerung mit Hilfe einer Diodenmatrix zu realisieren. Ein typischer Vertreter dieser Rechnergeneration war der LGP-30.

In den frühen 1960ern wurden die Röhren dann von den Transistoren verdrängt. Anfangs wurden die CPUs aus einzelnen Transistoren aufgebaut. Im Laufe der Jahre brachte man aber immer mehr Transistorfunktionen auf Integrierten Schaltkreisen (ICs) unter. Waren es zunächst nur einzelne Gatter, integrierte man immer häufiger auch ganze Register und Funktionseinheiten wie Addierer und Zähler, schließlich dann sogar Registerbänke und Rechenwerke auf einem Chip. Diese zunehmende Integration von immer mehr Transistor- und Gatterfunktionen auf einem Chip führte dann fast zwangsläufig zu dem, was heute als Mikroprozessor bekannt ist.

[Bearbeiten] Aufbau

Ein Prozessor besteht aus Registern, einem Rechenwerk, einem Befehlsdecoder sowie einem Steuerwerk. Das Rechenwerk ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig, Befehlsdecoder und Steuerwerk steuern die Ausführung der Befehle und die Koordination der Funktionseinheiten. Die Register bilden eine Art „Spezialspeicher“ für Zwischenergebnisse (z. B. von Rechenoperationen), auf die besonders schnell zugegriffen werden kann. Zur Erhöhung der Rechengeschwindigkeit können Prozessoren mit Caches oder besonderen (etwa einem Hardwaremultiplizierer) bzw. zusätzlichen (etwa einem Fließkommarechenwerk) Rechenwerken ausgestattet sein. Zur effizienteren Bearbeitung von Befehlen werden Pipelines verwendet. Alle komplexeren Prozessoren sind interruptfähig, d.h. eine Unterbrechung des Programmablaufes wird durch ein externes Signal bewirkt. Einige (sehr einfach aufgebaute und damit sehr billige) Prozessoren haben keine Interruptfähigkeit, sondern müssen über Software abfragen, ob ein äußeres Ereignis vorliegt.

[Bearbeiten] Steuerung durch Befehle

Alle Computerprogramme liegen als binäres Bitmuster im Speicher vor. Diese Bitmuster sind prozessorspezifisch: bestimmte Muster lösen bei unterschiedlichen Prozessoren unterschiedliche elementare Befehle aus. Derartige elementare Prozessorbefehle lassen sich prozessorspezifisch in Maschinensprache oder Assemblersprache programmieren, allerdings ist das Programm dann nicht portabel. Zur Umgehung dieses Problems benutzt man Hochsprachen, etwa C, C++, FORTRAN oder Pascal. Ein spezielles Übersetzungsprogramm (Compiler) setzt dann das Hochsprachenprogramm in für den Prozessor geeignete Maschinensprache um.

[Bearbeiten] Befehlsbearbeitung

Die Befehlsbearbeitung moderner Prozessoren folgt dem Von-Neumann-Zyklus. Die wichtigsten Phasen sind dabei das Laden des Befehls (FETCH), seine Dekodierung (DECODE) und seine Ausführung (EXECUTE). Gelegentlich unterscheidet man auch noch eine Rückschreibphase, in welcher die Rechenergebnisse in bestimmte Register geschrieben werden.

[Bearbeiten] Befehlssatz

Der Befehlssatz bezeichnet die Menge der Maschinenbefehle eines Prozessors. Der Umfang des Befehlssatzes variiert je nach Prozessortyp beträchtlich. Nach dem Befehlssatz kann man zwischen RISC und CISC Prozessor-Architekturen unterscheiden:

• Ein RISC-Befehlssatz verzichtet zugunsten einer hohen Ausführungsgeschwindigkeit und eines niedrigeren Decodierungsaufwands auf Seiten der CPU konsequent auf komplexe Befehle, wodurch die Ausführung schneller als bei einem CISC-Befehlssatz ist.
• Ein CISC-Befehlssatz zeichnet sich durch verhältnismäßig leistungsfähige Einzelbefehle aus, die komplexe Operationen durchführen können, aber dafür langsamer als RISC Befehle sind.

[Bearbeiten] Grundlegende Buskonzepte der Prozessoren

Der Prozessor hat eine Schnittstelle, die den Arbeitsspeicher mit dem Prozessor verbindet. Je nachdem ob man für Daten und Programmcode je einen eigenen oder für beide einen gemeinsamen Bus verwendet, unterscheidet man zwischen den folgenden zwei Prozessor-Architekturen:

• Von-Neumann-Architektur: Ein Bus für Daten UND Programmcode,
• Harvard-Architektur (erweiterte Von-Neumann-Architektur): Ein oder mehrere getrennte Busse für Daten und Programmcode.

[Bearbeiten] Prozessor-Core

Als Core (Kern) bezeichnet man das eigentliche Rechenwerk des Prozessors, um das herum weitere Komponenten wie Cache und Memory Management Unit (MMU) angeordnet sind.

Ein Prozessor kann aus mehreren Kernen bestehen. Ein solcher Prozessor wird allgemein als Multi-Core-Prozessor (Mehrkernprozessor) bezeichnet. Im einzelnen werden Mikroprozessoren mit nur einem Prozessorkern als Single-Core-Prozessoren (Einzelkernprozessoren), mit zwei Prozessorkernen als Dual-Core-Prozessoren (Doppelkernprozessoren) und mit vier Prozessorkernen als Quad-Core-Prozessoren bezeichnet.

Prozessoren mit mehreren Kernen können sehr unterschiedlich realisiert werden, so kann beispielsweise nur ein Cache für alle Kerne vorhanden sein, es kann aber auch jeder Kern einen eigenen Cache aufweisen.

Der Grund für die Einführung solcher Mehrkernprozessoren liegt in den physikalisch begrenzten Möglichkeiten, einen einzelnen Kern immer schneller zu machen. Die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterschaltelementen sorgt allerdings dafür, dass mehr als ein Kern auf einen Mikrochip passen.

[Bearbeiten] Übersicht über verschiedene Prozessorarten

• Der Hauptprozessor (CPU), im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor bezeichnet, ist der zentrale (Haupt-)Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuert.
• Als Multicore-Prozessor (auch: Mehrkernprozessor oder Multikernprozessor) bezeichnet man einen Mikroprozessor mit mehr als einem vollständigen Hauptprozessor.
• Ein Mikroprozessor (griech. mikros für klein) ist ein Prozessor in sehr kleinem Maßstab, bei dem alle Bausteine des Prozessors auf einem Mikrochip vereinigt sind.
• Mikrocontroller (auch µController, µC, MCU) sind Ein-Chip-Computersysteme, bei welchen nahezu sämtliche Komponenten (wie z.B.: CPU, Programmspeicher (meist auf ROM- oder Flash-Basis), Arbeitsspeicher (auf SRAM-Basis), Ein-/Ausgabe-Schnittstellen) auf einem einzigen Chip (Integrierter Schaltkreis) untergebracht sind.
• Ein Digitaler Signalprozessor (DSP) ist ein Prozessor, der analoge Signale mit Hilfe digitaler Systeme verarbeitet. DSPs sind nach der Harvard-Architektur aufgebaut, haben also getrennte Bussysteme für Daten und Befehle. Da die Multiplikation eine zentrale Operation der Digitalen Signalverarbeitung ist, wird sie meist mit Hilfe eines Barrel-shifter, einer in der Digitaltechnik gebräuchlichen Schiebelogikschaltung, ausgeführt.
• Spezialisierte Ein-/Ausgabeprozessoren (I/O) sind Prozessoren die Ein- und Ausgabegeräte steuern.
• Ein mathematischer Koprozessor (FPU für Floating Point Unit) ist ein spezielle Hauptprozessor, der der Verarbeitung von Gleitkommazahlen dient.
• Der Grafikprozessor (GPU, englisch Graphics Processing Unit, neuerdings auch zunehmend VPU für Visual - oder auch Video Processing Unit) dient zur Berechnung der Grafikinformationen für die Bildschirmausgabe.
• Ein Soundprozessor (SPU, englisch Sound Processing Unit) ist ein auf Klangverarbeitung und -erzeugung spezialisierter Prozessor.
• Ein Physikbeschleuniger (PPU, engl. für Physics Processing Unit) ist ein Prozessor, der auf die Verarbeitung und Berechnung von physikalischen Effekten spezialisiert ist.
• Der Notebookprozessor, auch Mobilprozessor, ist eine Unterart der Prozessoren, die vor allem in mobilen und auch in besonders stromsparenden Computersystemen eingebaut wird.
• Bit-Slice-Prozessoren (kaskadierfähige Prozessoren um größere Bitbreiten zu verarbeiten): Ein Bit Slice ist ein vorgefertigter Baustein in Form eines integrierten Schaltkreises, der in der Mikroelektronik zum individuellen Bau eines Prozessors verwendet wird. Bit-Slicing bezeichnet eine Methode aus der Rechnerarchitektur, bei der man aus mehreren arithmetisch-logischen Einheiten, die alle auf sehr kleine Worte (meist 4 bit lang) rechnen - den Bit Slices - größere Rechenwerke zusammenbaut.

[Bearbeiten] Weblinks