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Logistik / Technisches Management

Prozessor (CPU)

Dominik Kary 1AHWIT

Schuljahr 2016/17

Allgemeines 1

Inhalt

1 ALLGEMEINES........................................................................1

2 STEUER- /LEITWERK...............................................................1

2.1 Maschinen Befehle................................................................................................................................ 22.1.1 Arithmetische Befehle..........................................................................................................................22.1.2 Logische Befehle...................................................................................................................................22.1.3 Transportbefehle..................................................................................................................................22.1.4 Ein- und Ausgabebefehle......................................................................................................................2

3 RECHENWERK........................................................................1

3.1 ALU....................................................................................................................................................... 1

4 SPEICHERCONTROLLER..........................................................2

4.1 L1-Cache................................................................................................................................................ 2

4.2 L2-Cache................................................................................................................................................ 2

4.3 L3-Cache................................................................................................................................................ 2

5 ABARBEITUNG EINES BEFEHLS................................................3

6 VON-NEUMANN-ZYKLUS.........................................................3

6.1 Fetch..................................................................................................................................................... 3

6.2 Decode.................................................................................................................................................. 3

6.3 Fetch operands...................................................................................................................................... 3

6.4 Execute................................................................................................................................................. 3

6.5 Write Back............................................................................................................................................. 4

7 PROZESSSYNCHRONISATION..................................................5

8 TAKTFREQUENZ.....................................................................5

9 KERNE...................................................................................6

9.1 Kerne Anzahl......................................................................................................................................... 6

Allgemeines 1

1 AllgemeinesDer Prozessor ist ein Mikrochip der andere elektrische Schaltungen steuert und dabei einen Prozess vorantreibt oder abarbeitet. Der Prozessor ist der Baustein eines jeden Computers ohne ihn würde nichts funktionieren.

In fast 95% unserer elektronischen Geräte ist ein Prozessor eingebaut. Die CPU1 besteht aus einem Rechenwerk, einem Steuerwerk, die dazugehörigen Register, Caches und einem Speichercontroller. Der Prozessor ist vergleichbar mit dem Gehirn eines Menschen.

Im Prozessor wird "gedacht" und die eigentliche Arbeit des Computers geleistet.

Man könnte auch sagen, dass der Prozessor dem Herz des Menschen entspricht, denn er schlägt in einem regelmäßigen Rhythmus. Der Rhythmus des Prozessors wird "Taktfrequenz" genannt. Die Geschwindigkeit solcher Rhythmen Werden in Hertz gemessen.

Abbildung 1: Intel i72

2 Steuer- /LeitwerkDiese Funktionseinheit steuert die Befehlsverarbeitung in einem Prozessor sie ist also dafür zuständig Befehle bzw. Prozesse zu laden gegeben falls zu decodieren und zu interpretieren. Dafür ist speziell der Befehlsdecoder im Steuerwerk zuständig er übersetzt Maschinen befehle in sogenannte Mikrobefehle.

1 CPU = Central Processing Unit2 http://www.computerbild.de/artikel/cb-Tests-PC-Hardware-Intel-Core-i5-i7-Quad-Core-4662181.html (12.1.2017)

Allgemeines 2

2.1 Maschinen Befehle

Je nach Bauart wird ein Rechner durch etwa 50 bis ca. 350 verschiedene Maschinenbefehle gesteuert. Diese lassen sich einteilen in 3

2.1.1 Arithmetische BefehleDie Arithmetischen Befehle wie Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren usw. gehören zu den Maschinenbefehlen.

2.1.2 Logische BefehleDie Logischen Befehle wie Vergleichen, Verknüpfen usw. gehören zu den Maschinenbefehlen

2.1.3 TransportbefehleDie Transportbefehle wie Übertragen, Verschieben usw. gehören zu den Maschinenbefehlen.

2.1.4 Ein- und AusgabebefehleDie Ein- und Ausgabebefehle wie Lesen, Schreiben usw. gehören zu den Maschinenbefehlen

3 http://ftp.tuwien.ac.at/study/hrh-glossar/1-2_2.htm (14.12.2016)

Allgemeines 1

3 RechenwerkDas Rechenwerk ist der eigentliche Rechner. Es wird als Arithmetic Logic Unit, kurz ALU, bezeichnet. In der ALU werden alle arithmetische und logische Funktionen und Berechnungen ausgeführt. Zur ALU gehören auch der Akku (Speicher) und die Flags (Ereignisspeicher). Durch das Rechenwerk wird das Befehlswerk in die Lage versetzt Daten zu verarbeiten.4

3.1 ALU

Ein Mikroprozessor besitzt die Fähigkeit Daten zu verarbeiten. Dazu gehört es auch, Zahlen zu berechnen, sie logisch zu verknüpfen und das Ergebnis auszugeben. Alle mathematischen und logischen Vorgänge in einem Mikroprozessor werden von der ALU ausgeführt.

Die ALU ist eine Universal-Schaltung, die zwei n-Bit Datenworte wahlweise

addiert subtrahiert UND-verknüpft ODER-verknüpft XOR-verknüpft5

4 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1310171.htm (22.12.2016)5 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/dig/0306151.htm (22.12.2016)

Allgemeines 2

Abbildung 2: Das Rechenwerk6

4 SpeichercontrollerDer Speichercontroller regelt den Datenfluss zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher da der Arbeitsspeicher aber circa 1000-mal langsamer als die CPU ist gibt es noch einen weiteren Speicher der als Zwischenspeicher genutzt wird und zwar der Cache dort werden schon verwendete Daten und Befehle gespeichert für den Fall der Wiederverwendung unterscheiden kann man drei verschiedene Cache Typen.

4.1 L1-Cache

Der l1 Cache befindet sich direkt im Prozessorkern ist nur 64 bis 128 Kilobyte groß dafür aber sehr schnell.

4.2 L2-Cache

Der l2-Cache befindet sich nicht direkt im Kern er ist etwas langsamer aber auch größer rund 256 Kilobyte bis 2 Megabyte groß.

4.3 L3-Cache

Der l3-Cache ist die am weitesten entfernteste Cache-Speicher und deshalb auch am langsamsten jedoch 256 Megabyte groß

6 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1310171.htm (12.1.2017)

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5 Abarbeitung eines BefehlsDer Befehls Zähler im Steuerwerk enthält die Adresse an dem sich der aktuelle Befehl befindet der Prozessor wartet nun bis die Daten der jeweiligen Adresse geholt wurden. Die Wartezeit variiert stark je nachdem ob sich die Daten im Cache Arbeitsspeicher oder in der Festplatte befinden anschließend wird der Befehl im Steuerwerk decodiert und der Befehlszähler des Steuerrechts bereits um 1 erhöht um auf dem nächste Befehl zu zeigen. Die ALU aus dem Rechenwerk vernetzt sich nun mit den decodierten Daten und führt die gewünschte Operation wie zum Beispiel die Addition zweier Register Inhalte aus. Das Ergebnis wird anschließend in den Cache geschrieben oder sofort für die nächste Operation weiterverwendet. Da der Befehls Zähler bereits auf den nächsten Befehl zeigt kann der Zyklus nun von vorne beginnen. Diesen Zyklus der Befehls Verarbeitung nennt man offiziell von-Neumann-Zyklus

6 Von-Neumann-ZyklusDer von-Neumann-zyklus besteht aus fünf teilschritten.

6.1 Fetch

Fetch der nächste Befehl wird in das Befehls Register geschrieben.

6.2 Decode

Decode der Befehls Zähler wird um 1 erhöht und der Maschinen Befehl wird in einen Mikrobe Befehl übersetzt.

6.3 Fetch operands

Fetch operands die operanten also die Werte mit denen gerechnet werden soll werden aus dem Arbeitsspeicher geholt.

6.4 Execute

Execute das Rechenwerk führt die Operation aus bei Bedarf wird der Befehlszähler des Steuerwerkes nun nochmals verändert falls man zu einer anderen Operation springen möchte.

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6.5 Write Back

Write Back in dem Schritt wird das Ergebnis in einem Daten Register und dem Cachegeschrieben

Abbildung 3: Der Von-Neumann-Zyklus

Allgemeines 5

7 Prozesssynchronisation

Meist findet aber auch eine Prozesssynchronisation statt. Mit einen so genannten Scheduler wird ständig zwischen verschiedenen Prozessen hin und her geswitcht was nach außen hin den Anschein macht die Prozesse würden parallel abgearbeitet werden in Wirklichkeit ist das aber nicht der Fall trotzdem lässt sich somit eine Leistungssteigerung erzielen. Mittlerweile gibt es aber auch eine tatsächliche parallele Abarbeitung weil sich in einem Prozessor meist mehrere Prozessorkerne befinden und damit auch mehrere Steuer- und Rechenwerke

8 TaktfrequenzEin Hertz ist ein Takt pro Sekunde. Computer-Prozessoren sind aber so schnell, dass ihre Taktfrequenz in Mega-Hertz (MHz) oder in Giga-Hertz (GHz) angegeben wird. Ein Mega-Hertz sind eine Million Hertz und ein Giga-Hertz sind eine Milliarde Hertz.

Der Prozessor arbeitet in einem regelmäßigen Rhythmus und bei jedem "Takt" erledigt er einen kleinen Denkvorgang.

Daraus kann man schließen, dass ein Prozessor umso schneller "denkt" je schneller sein Rhythmus ist. Zumindest kann man sich das ungefähr so vorstellen. In Echt ist es etwas komplizierter, die Rechengeschwindigkeit hängt nicht nur von der Taktfrequenz ab, aber das würde an dieser Stelle zu weit führen, genauer ins Detail zu gehen.

Über Jahrzehnte hinweg sind die Prozessoren immer schneller geworden. Am Anfang der PC-Ära hatte ein Prozessor üblicherweise eine Taktfrequenz von 4,7 bis 10 MHz.

Abbildung 4: Taktfrequenzen Intel Prozessoren7

7 https://cimddwc.net/2009/07/23/global-scaling-und-die-cpus/ (12.1.2017)

Allgemeines 6

9 KerneAls Prozessorkern oder auch Rechenkern wird der zentrale Teil eines Rechenwerkes – oder eines sogenannten Mikroprozessors – bezeichnet, der selbst wenigstens aus einer arithmetisch-logischen Einheit, den Rechenregistern und den wesentlichen Teilen eines Steuerwerkes besteht. Moderne Rechenwerke verfügen üblicherweise über mehr als einen Rechenkern.

Mehrkernprozessoren wurden entwickelt, weil eine Erhöhung der Rechenleistung durch höhere Taktfrequenzen große technische Probleme verursachte. Es ist auch kostengünstiger, mehrere Kerne in einen Chip zu implementieren, als mehrere Prozessorsockel auf der Hauptplatine zu haben.

9.1 Kerne Anzahl

Ein-Kern-Prozessoren, auch Single Core genannt. (Die "älteste" Variante wird

zwar heute noch immer verbaut, ist aber längst überholt.)

Dual-Core (zwei Kerne), (Lange Zeit waren diese Modelle der Renner. Doch die

steigende Rechenleistung führt auch Sie zunehmend ins Abseits. Aktuelle Spiele

oder Software-Anwendungen zwingen diese Modelle häufig in die Knie. Wer "nur"

arbeiten will, fährt hier jedoch immer noch gut.)

Triple-Core (drei Kerne), oder Quad-Core (vier Kerne), (Mehr Kerne nützen bei

aktuellen Spielen übrigens nichts. Die meisten aktuellen Games sind nicht darauf

ausgelegt, mehr als 4 Kerne auszulasten.)

Hexa-Core (sechs Kerne) und Acht-Kern-Prozessoren.

Allgemeines 7

Abbildung 5: Kerne8

8 http://www.htcinside.de/nvidia-tegra-3-quad-core-prozessor-mit-fuenf-kernen/ (12.1.2017)