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informatik artikel (Interpretation und charakterisierung)

Der prozessor --


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Was ist ein Prozessor? r / Der Prozessor, abgekürzt auch CPU (Central Processing Unit) bezeichnet, ist das Herzstück eines jeden Computers, ohne ihn kann kein Rechner funktionieren. Er wird auf dem Mainboard montiert, auf den wiederum ein Lüfter montiert werden muss, da die CPU sich bei Gebrauch stark erwärmt.



Die Aufgaben des Prozessors

Die Aufgabe des Prozessors, nämlich die Abarbeitung von Befehlen aus Programmen, läßt sich ganz einfach in 3 Etappen erklären. Diese sind:
1. Einbringen von Daten und Befehlen in den Mikroprozessor

2. Bearbeiten (verändern) der Daten
3. Ausgabe der Daten aus dem Mikroprozessor
Der Prozessor nimmt alle notwendigen Berechnungen vor und dient der Steuerung der jeweiligen am Mainboard angeschlossenen Geräte.Dazu lassen sich die einzelnen Komponenten eines Prozessor drei Gruppen zuordnen. Diese Gruppen sind die Recheneinheit (ALU), die Steuereinheit und das Register.









Das Programm, welches abgearbeitet werden soll, befindet sich im Hauptspeicher und wird aus diesem geholt. Im Prozessor wird dann jeder Befehl entschlüsselt (decodiert) und verarbeitet (executiert), so daß sich drei Phasen, die jeder Befehl durchläuft, ergeben.
Um diesen drei Phasen zu realisieren sind verschiedene Bausteine notwendig, wovon die wichtigsten in der folgenden Zeichnung dargestellt sind und anschließend erläutert werden. Hierbei ist ein stark vereinfachter Datenpfad eines sogenannten CISC-Rechners zu sehen.
Zusätzlich zu den \"Alltags-Aufgaben\" muss der Prozessor auch unvorhergesehene Ereignisse bearbeiten. Diese werden mittels Interrupts (\"Unterbrechungen\") an den Prozessor gesandt, woraufhin er seine Arbeit unterbricht und das Ereignis bearbeitet, in dem die aktuellen Werte in den Stack geschrieben bzw. kopiert werden, dann zu einer gespeicherten Befehlsfolge gesprungen wird, die für die Abwicklung eines solchen Ereignisses bestimmt ist. Wenn diese Befehlssequenz abgearbeitet ist, kopiert der Prozessor die Daten wieder an die ursprünglichen Positionen und setzt seine vorherige Arbeit fort.

Hat der Prozessor nichts zu tun, verbringt er die Zeit in sogenannten Wait-Zyklen, die weniger Strom verbrauchen und den Prozessor weniger stark erhitzen lassen.


Warum wird ein Prozessor eigentlich heiss?

Die Hitze kommt vor allem deswegen zustande, weil Prozessoren auf geringe Abmessungen optimiert sind:
. die Leitungen sind äußerst kurz, dadurch geht weniger Zeit durch \"langsame\" Strom-Ausbreitung verloren (diese findet mit nahezu Lichtgeschwindigkeit statt (ca. 0,7c), kann aber nicht bis ins unendliche gesteigert werden).
. auf kurzen Strecken geht weniger Energie verloren, wodurch das Energie-Niveau im Prozessor überall nahezu gleich ist.
. starke Erhitzung durch nahe aneinanderliegende Leitungen. Da durch den materialbedingten Widerstand Strom in Wärme-Energie umgesetzt wird, verstärkt sich der Effekt dadurch.



Die Arbeitsweise eines Prozessors
Der Mikroprozessor kann nur binäre Signale verarbeiten. Alle Befehle und Daten müssen daher als Binärcodes in den Mikroprozessor eingegeben werden. Zahlen und Zeichen werden dabei nach dem ASCII-Code verschlüsselt. Die Codierung der Befehle erfolgt in der Regel nach einem vom Hersteller vorgegebenen Schlüssel, der sich von CPU zu CPU unterscheidet. Da sowohl Daten als auch Befehle binär codiert werden, kann der Prozessor nicht zwischen den beiden Signalarten unterscheiden. Deshalb werden Daten grundsätzlich in Akkumulatoren und Datenregistern eingespeichert und Befehle werden grundsätzlich im Befehlsregister abgelegt, damit eine Unterscheidung möglich wird. Jedes Wort, das im Befehlsregister steht, wird als Befehl weiterverarbeitet und jedes Wort, das im Akkumulator oder Datenregister steht wird als Zeichen, bzw. als Zahl vom Mikroprozessor aufgefaßt und entsprechend bearbeitet.


Slot-Prozessor und Sockel

Für kurze Zeit stieg man auf Slot-Prozessoren um, die - ähnlich wie z.B. PCI-Karten - in einen dünnen Schacht gesteckt wurden. Davon erhoffte man sich bessere Prozessoreigenschaften und mehr Platz, zum Beispiel für Second Level Cache, der sich ab diesem Zeitpunkt auf dem Prozessor befand.

Nachdem sich herausstellte, dass der Sockel einige Vorteile mit sich brachte und bessere Fertigungs-Methoden zur Verfügung standen (engere Anordnung von Transistoren) stieg man wieder auf den Sockel um, der daraufhin die Bezeichnung Socket 370 trug.

Auch die Konkurrenz, vor allem dem Athlon von AMD, ging mit der Sockel-/Slot-Politik mit, nun sind auch diese Prozessoren wieder auf Sockets beheimatet.


Was macht den Intel Pentium 4 Prozessor aus?

Der Pentium 4 Prozessor ist der Intel Prozessor mit der höchsten Leistungsfähigkeit. Mit CMOS-Transistoren, die mit einer Größe von nur 60 Nanometern die kleinsten und schnellsten in der Massenfertigung sind und seinen hochentwickelten Speicher-, Grafik- und Verarbeitungsfunktionen macht er die Leistungsfähigkeit gegenwärtiger und neuer Internet-, Büro- und Multimedia-Anwendungen in vollem Umfang nutzbar.




Der Aufbau einer CPU

Der Aufbau einer CPU lässt sich in mehrere Funktionsgruppen gliedern:
Die Busschnittstelle (BU=Bus Unit) bildet die Verbindung zur Außenwelt, d.h. dem Daten-, Adress- und Steuerbus. Sie liest Befehle und Daten aus dem Speicher in die Prefetch Queue, die diese an die Befehlseinheit (IU = Instruction Unit) weitergibt. Die Befehlseinheit steuert die Ausführungseinheit (EU=Execution Unit) an, die für die Datenverarbeitung zuständig ist und zu diesem Zweck eine Steuereinheit (CU=Control Unit), eine arithmetische und logische Einheit (ALU=Arithmetic Logical Unit) und verschiedene Register umfasst. Die Steuereinheit überwacht die Register sowie die ALU , um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten. Die Adressierungseinheit (AU=Adressing Unit) besitzt häufig noch eine Speicherverwaltungseinheit (MMU=Memory Management Unit).
Der Mikroprozessor kann über den Datenbus Daten aus dem Speicher lesen oder in den Speicher schreiben. Die auszulesende oder zu beschreibende Speicherzelle wird dabei über eine Adresse angesprochen, die der Prozessor in der Adressierungseinheit berechnet und über den Adressbus an die Speicherbausteine übermittelt. Das Lesen und Schreiben erfolgt dabei über die Busschnittstelle. Hierzu gibt diese die Adresse und die zu schreibenden Daten aus, bzw. liest die zu lesenden Daten ein. In gleicher Weise wird der Speicher adressiert, um einen Befehl zu lesen, nur wandern die gelesenen Daten in die Prefetch Queue und nicht in eines oder mehrere der Register der Ausführungseinheit. Die Befehlseinheit liest den Befehl aus der Prefetch Queue, dekodiert ihn und reicht den dekodierten Befehl an die Ausführungseinheit weiter.
So wie der in einem Auto eingebaute Motor die Fahrleistung bestimmt, ist der Prozessor unmittelbar für die Leistung des Rechners verantwortlich. Der Prozessor selbst ist ein flaches Bauteil, das - je nach Typ - mit einer Vielzahl von kleinen Füßchen auf der Hauptplatine festgelötet ist oder an seiner Unterseite eine große Anzahl von kleinen Stiften aufweist, mit denen es in einen speziellen Sockel gesteckt wird.

In der folgenden Grafik ist der wesentliche Aufbau sehr leicht und einfach verständlich.

 
 




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