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Central Processing Unit


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Eine Zentraleinheit oder CPU (für englisch C entral P rocessing U nit wörtlich Zentrale Verarbeitungseinheit ) im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur Prozessor bezeichnet ist das "Herz" eines Rechners .

Eine geöffnete AMD 486 DX2 66 MHz zu erkennen der CPU Kern (DIE)

Der Mikroprozessor ist die moderne heutzutage übliche Bauform Zentraleinheit.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

CPUs sind der zentrale Bestandteil eines Computers. Die Verarbeitung von Daten die Ausführung Programmen geschieht in der CPU. Dazu verfügt CPU über einen Programmzähler der auf die zeigt von der gerade Maschinencode gelesen wird. Der gelesene Maschinencode wird Befehlsdecoder gegebenenfalls in einzelne Arbeitsschritte zerlegt und die weiteren Einheiten der CPU verteilt. Rechenoperationen logische Verknüpfungen werden von der ALU (Arithmetic Logic Unit also Einheit für und logische Funktionen) ausgeführt. Zwischenergebnisse werden in Registern gespeichert ebenso wie Informationen über das Rechenergebnis (z.B. ob das Ergebnis Null war). Branch-Unit (Sprungeinheit) kann auf die Informationen des (auch Flags genannt) zugreifen und Programmverzweigungen auslösen das Programm an einer anderen Speicherstelle fortsetzen

Abstrakt

Grundlegend bestehen Prozessoren aus denen Bauteilen: Registersatz sowie die Rechenwerk. Das Rechenwerk enthält Hardware Logik um Anweisungen zu holen und sowie Arithmetikeinheiten (ALU's) welche die eigentliche Berechnung Außerdem enthalten (moderne) Prozessoren noch weitere Einheiten.

-> Steuerwerk und Rechenwerk werden unter Bezeichnung Prozessor zusammengefasst.

Die Leistungsbewertung befasst sich mit dem Thema wie ein Bestimmtes System Programme ausfürhren können.

Entwicklung

Ursprünglich wurde die CPU eines Computers Röhren ( Relais fanden keine weite Verbreitung als Logikelemente) dann folgten Transistoren . In den 1960ern wurden erste Logik-ICs die zunächst aber nur Logikgatter enthielten später wurden die ICs immer umfassten zunächst einzelne Register und Unterfunktionen wie Addierer und Zähler und schließlich ganze Registerbänke Recheneinheiten.

Im Jahr 1971 stellte Intel mit dem 4004 die erste CPU in einem einzelnen vor damit war der Mikroprozessor geboren. Mit nur 4 Bit breiten war der bei 500kHz getaktete 4004 nicht besonders leistungsfähig die kompakte Bauform verschaffte dem aber trotzdem den Durchbruch.

Zum Vergleich muss man sich vor halten dass die CPU eines typischen Großrechners 60er und 70er Jahre alleine einen ganzen füllte (daher die englische Bezeichnung mainframe engl. Hauptrahmen oder -schrank). Moderne Großrechner ebenfalls auf Mikroprozessoren zurück jedoch nicht auf gleichen Chips die in handelsüblichen PCs zu sind sondern meist Chips die diesen um oder zwei Generationen voraus sind. Technische Probleme Abwärme werden dann großtechnisch mit Flüssigkeitskühlung gelöst leicht realisierbar ist da solche CPUs einige Euro kosten.

Variationen

Im Laufe der höheren Integrationsdichte von Halbleiterbausteinen und auch abhängig von jeweiligen Anforderungen haben die Entwickler von CPUs oder weniger Funktionen in Hardware realisiert. Während CPUs oder auch heute gebräuchliche CPUs von Mikrocontrollern relativ wenige Register haben nur einfache (meist nur Addition und Subtraktion) ausführen können mit Taktraten von wenigen Megahertz laufen sind Hochleistungs CPUs heute mit mehreren Gigahertz getaktet schnelle Pufferspeicher ( Cache ) in Größenordnungen wie noch vor wenigen der gesamte Arbeitsspeicher eines Computers und verfügen zusätzliche Recheneinheiten.

So verfügen alle aktuellen CPUs gängiger über Recheneinheiten die mit Fließkommazahlen arbeiten können. Die PowerPC Prozessoren verfügen ihren neueren Varianten über einen Vektorprozessor der zu den anderen Funktionseinheiten Rechenoperationen auf mehreren gleichzeitig ausführen kann. Alle diese Prozessoren haben so genannte Branch-Prediction-Units also Funktionseinheiten die versuchen ob eine Programmverzweigung stattfinden wird oder nicht die richtigen Befehle und Daten bereit zu

Design und Fertigung aktueller CPUs

Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren liegenden Schichten von dotiertem Silizium welches Millionen von Transistoren bildet Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.

CPUs werden auf Grund ihrer unterschiedlichen an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst. Beispielsweise müssen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei Stand halten Mobilprozessoren eine hohe IPC -Rate geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch müssen. Diesen Bedürfnissen wird auf verschiedene Arten Weisen Rechnung getragen: So wird bereits mit Auswahl des Befehlssatzes ( CISC oder RISC ) eine fundamentale Entwurfsentscheidung getroffen deren Implikationen den jeweiligen Spezialartikeln näher erläutert werden. Anschließend ein möglichst effizienter Mikrocode entwickelt welcher optimal Randbedingungen wie Cachegrößen Speicherbandbreite und -latenzen sowie internen Funktionseinheiten angepasst werden sollte.

Anschließend wird der logische Entwurf der (er liegt in einer C-ähnlichen Programmiersprache vor) einen Hochleistungscomputer übergeben welcher die Leiterbahnen routet eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht. Da diese NP-vollständig sind sind nur Näherungsberechnungen möglich die im Detail noch erheblich verbessern lassen. Die Robotron -Ingenieure bei AMD in Dresden haben dies bei der Fortentwicklung des (Athlon (XP)) eindrucksvoll bewiesen. Aus diesen Bahnberechnungen sehr teure Masken erstellt die unter Anwendung Laserlichts (heute 130 nm; bald: 90 nm) Belichtung von Wafern eingesetzt werden die anschließend geätzt werden. Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über Einzelschritte in deren Verlauf bereits ein Fehler gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann.

In der Endkontrolle werden die Prozessoren hinsichtlich ihrer Taktfestigkeit klassifiziert wobei kein wirkliches ausgeführt wird sondern anhand eines für jeden individuell entwickelten Testprogramms physikalische Eigenschaften wie Signalpegel verschiedenen Takten überprüft werden. Hierbei wird besonders zuvor identifizierte Speedpathes geachtet welche kritische "Nadelöhre" dem DIE bilden d.h. hier laufen im viele Daten in kurzer Zeit durch. Das einer solchen "Ameisenstraße" kann fatale Folgen haben: zeigten verschiedene Revisionen des K6 aufgrund von in der Fertigungsqualität einen Speedpath-Fehler in der was die übertragenen Daten korrumpierte und beispielsweise Entpacken von JPEG -Bildern zu Datenmüll führen kann [ Details ].

Allgemein lässt sich feststellen dass der moderner Prozessoren bereits gewaltige Ausmaße angenommen hat trotz aller Anstrengungen nicht alle Fehlersituationen vor Auslieferung überprüft werden. Daher liefern alle Hersteller genannte Errata-Listen in denen Fehler aufgelistet werden. musste beispielsweise Intel den berühmten "fdiv bug" klassischen Pentium P54C eingestehen welcher auf eine Auslassung beim Füllen einer im Prozessor hartverdrahteten für die FPU zurückzuführen ist.

Hier sollte noch rein:

  • Intel MotoroZilog
  • IBM-PC der Urahn aller PCs
  • 386 (32-bit spät!)

Im Laufe der Zeit vergrößerte sich Grund der immer besser werdenden Technik die der vom Prozessor unterstützten Befehle. Heute finden überwiegend 32 bis 64-Bit Prozessoren wobei die Betriebssysteme für den Anwender nur maximal 64 aber nur 32-Bit unterstützen. Daran lässt sich erkennen dass die Software im Falle der der Hardware hinterherhinkt. Die 386er die in 80er Jahren entwickelt wurden waren bereits 32-Bit-Prozessoren. Der und Softwarehersteller Apple hatte 1991 mit System ein 32-Bit Betriebssystem für eingeführt; allerdings nur seine auf Motorola-CPUs basierenden Macintosh-Computer. Der Betriebssystemmarktführer Microsoft brachte erst mit Windows NT 3.1 1993 ein echtes 32-Bit auf den Markt. Das freie auf der GNU basierende Linux war schon seit Anfang seiner Entwicklung Jahr 1991 ein 32-Bit Betriebssystem. Linux wurde zuerst auf 386er Prozessor entwickelt dann auf andere Prozessoren (32 als auch portiert.

Anwendungsbereich

Im Bereich der Personalcomputer ist die gewachsene x86 -Architektur weit verbreitet wobei für eine genauere dieser Thematik der entsprechende Artikel empfohlen wird.

Interessanter und weniger bekannt ist der von Embedded-Prozessoren und Microcontrollern beispielsweise in Motorsteuergeräten Uhren Druckern sowie Vielzahl elektronisch gesteuerter Geräte.

Sonstiges

Man unterscheidet zwei grundsätzlich verschiedene CPU-Architekturen:
  1. RISC -Prozessoren
  2. CISC -Prozessoren

Weblinks

Siehe auch: Mikroprozessor



Bücher zum Thema Central Processing Unit

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