Computer

Prozessor (CPU)

Eine CPU (Central Processing Unit), oder auch (Haupt)-Prozessor genannt, dient dem Computer als zentrale Verarbeitungseinheit. Da es sich beim Aufbau um eine Mikroprozessortechnologie handelt, spricht man unter Fachleuten auch oft von einem Mikroprozessor.

Aufbau:

Eine CPU wird in einer wenigen quadratzentimeter quadratischen Form gefertigt. Unter einem Gehäuse, das als Schutz vor mechanischen Einflüssen dient, befindet sich das Trägermaterial, auf dem mehrere Millionen Transistoren aufgelötet sind. Das Trägermaterial für die Transistoren wird auch Prozessor-Die genannt und ist im theoretischen Sinn der eigentliche Prozessor, da die verarbeitenden Komponenten auf diesem angebracht sind. Die Anzahl der Transistoren variiert von Modell zu Modell anders.

Auf der Unterseite des Prozessors befinden sich die sogenannten PINs, welche als Verbindungen zu den anderen Komponenten dienen und in den passenden Sockel eingeführt werden.

Eine CPU kann in 3 Teile mit verschiedenen Funktionsblöcken eingeteilt werden:

Control Unit (Kontrolleinheit)
IDU (Instruction Decode Unit): Dies ist der Befehlsdecoder, welcher alle Programme und Anweisungen in einen verarbeitbaren Maschinencode wandelt.
EXU (Execution Unit): Die sogenannte Ausführungseinheit führt die vom Befehlsdecoder gewandelten Befehle als Maschinencode aus.
COL (Control Logic): Über die Kontrolleinheit wird der Ablauf von dem zu verarbeitendem Mikrocode gesteuert.
ROM (Internal-ROM): Interner ROM-Speicher der CPU, in dem der Mikrocode abgelegt ist. Er dient der Übersetzung wie in einem Wörterbuch.
BIL (Bus Interface Logic): Die Bussteuerung verwaltet und steuert den internen Bus innerhalb der CPU.
BIU (Bus Interface Unit): Über die Busschnittstelle wird eine Kommunikation zwischen internem CPU-Bus und dem Chipsatz und dem daran angeschlossenen externen Bus ermöglicht.

 

Processing Unit (Verarbeitungseinheit)
ALU (Arithmetic Logic Unit): Sie wird benötigt, um arithmetische und logische Rechenoperationen durchzuführen. Sie kann arithmetisch logische Einheit genannt werden.
FPU (Floating Point Unit): Der Fließkomma-Rechner dient der Berechnung mit Fließkommazahlen. Er wird auch Co-Prozessor genannt.
REG (Register): Der Register ist ein Speicher für Zwischenergebnisse. ALU und FPU besitzen jeweils einen.

 

Cache Unit (Zwischenspeicher)
DC (Data Cache): Der Daten Zwischenspeicher dient dem Zwischenspeichern und Buffern von Daten vor-, nach-, und während der Berechnung.
CC (Code Cache): Ein Code-Zwischenspeicher dient dem Zwischenspeichern von Befehlen.

 


Prozessorvarianten:

Single-Core-Prozessor

Bei einem Single-Core-Prozessor spricht man von einem einzigen Kern, mit im Kern integriertem L1-Cache. Die CPU verfügt zusätzlich über einen L2-Cache, welcher über einen sogenannten Front-Side-Bus oder kurz FSB mit dem Chipsatz verbunden ist. In dem Chipsatz ist ein Speicher Controller verbaut, über den auf den Speicherbus zugegriffen werden kann.

Übersicht:

  • Bei einem Single-Core-Prozessor ist der Level 1-Cache im Kern integriert
  • Zusätzlich wird ein Level 2 Cache verbaut
  • Über den FSB bzw. Front Side Bus, wird die Verbindung zum Chipsatz hergestellt
  • Im Chipsatz befindet sich der Speichercontroller

Dual-Core-Prozessor

In einem Dual-Core-Prozessor werden zwei Kerne eingesetzt, welche zeitgleich arbeiten können. Dies ermöglicht mehr Verarbeitungen pro Arbeitstakt, im Gegensatz zu einem Single-Core-Prozessor. Jeder der Kerne verfügt über einen eigenen L1-Cache. Beide Kerne teilen sich einen L2-Cache. Wie bei einem Single-Core-Prozessor wird über den Front-Side-Bus eine Verbindung zum in den Chipsatz integrierten Speichercontroller hergestellt. Über diesen kann dann auf den Speicherbus zugegriffen werden.

Übersicht:

  • Jeder Kern besitzt einen eigenen L1-Cache
  • gemeinsamer L2-Cache für beiden Kerne
  • Über den FSB bzw. Front Side Bus wird die Verbindung zum Chipsatz hergestellt
  • Im Chipsatz befindet sich der Speichercontroller

Quad-Core-Prozessor

Bei einem Quad-Core-Prozessor sind 4 Kerne mit jeweils einem eigenen L1-Cache verbaut. Im Gegensatz zu einem Single- oder Dual-Core-Prozessor steht für jeden Kern zusätzlich ein eigener L2-Cache zur Verfügung. Kern- übergreifend ist noch ein L3-Cache verbaut, auf den alle Kerne zugreifen können. Dieser ist nah am L2-Cache angelegt. Eine Verbindung zum Chipsatz wird nicht über den FSB, sondern über ein QPI-Interface (Quick-Path-Interconnect) von Intel oder über den HT (Hyper-Transport) von AMD. Der Zugriff auf den Speicherbus erfolgt über den in die CPU integrierten Speichercontroller.

Übersicht:

  • Jeder Kern besitzt einen eigenen L1-Cache
  • Zusätzlich ist pro Kern ein L2-Cache verbaut
  • Als gemeinsamer Cache für alle Kerne dient der L3-Cache
  • Verbindung zum Chipsatz über QPI oder HT
  • Zugriff auf Speicherbus, über in den CPU integrierten Speichercontroller

Quad-Core-Prozessor mit Grafikkern

Jeder Kern verfügt über einen eigenen eingebauten L1-Cache. Zusätzlich zu diesem verfügt jeder über einen L2-Cache, der nahe des Kerns angebunden wird. Neben den L1 und L2-Cache ist ein L3-Cache gemeinsam für alle Kerne verbaut. Dieser wurde auch Last-Level-Cache (LLC) genannt. Auf den L3-Cache greift neben den Kernen auch der Grafikkern zu. Der Grafikkern dient als Ersatz einer Grafikerweiterungskarte, oder wie wir sie alle kennen: die Grafikkarte. Der Grafikkern dient lediglich als Ersatz und kann nicht eine leistungsfähige Grafikkarte ersetzen. Er kann aber für Anwendungen und sogar kleinere Spiele genutzt werden. Der Zugriff auf den Speicherbus wird über einen in die CPU integrierten Speichercontroller gewährleistet. Die Verbindung zum Chipsatz wird über das Direct Media Interface oder kurz DMI hergestellt.

Übersicht:

  • Jeder Kern besitzt einen eigenen L1-Cache
  • Zusätzlich ist pro Kern ein L2-Cache verbaut
  • Als gemeinsamer Cache für alle Kerne und dem Grafikkern dient der L3- bzw. Last-Level-Cache
  • eingebauter Grafikkern
  • Zugriff auf Speicherbus, über in den CPU integrierten Speichercontroller

Werte und Eigenschaften

CPU-Takt:

Der CPU-Takt bestimmt mit, in welcher Geschwindigkeit gearbeitet wird. Jede CPU hat einen vorgegebenen Takt, mit dem sie arbeitet. In den meisten Fällen arbeiten sie heute im Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz) Bereich.

MIPS:

Bei der Abkürzung MIPS handelt es sich um eine Angabe von Millions of Instructions per Second, oder zu deutsch Millionen Anweisungen pro Sekunde. Dieser Wert gibt an, wie viele Anweisungen pro Sekunde verarbeitet werden können.

FLOPS:

Bei FLOPS handelt es sich um Floating Point Operations per Second. Hierbei handelt es sich um Gleitkommaoperationen pro Sekunde, die bei heutigen Prozessoren im 100 GigaFLOPS Bereich liegen.

Cache:

Um den höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten gerecht zu werden, benötigen heutige Prozessoren Cache-Speicher. Über diese Cache-Speicher werden Daten zwischengespeichert, um sie später weiter zu verarbeiten. Hierbei sind Größe und Taktung des Speichers wichtig.

Architektur:

Bei Prozessoren unterscheidet man zwischen 2 verschiedenen Arten von Architekturen. Diese unterscheiden sich im Aufbau und dem Verfahren, wie Daten verarbeitet werden.

CISC (Complex Instruction Set Computing) RISC (Reduced Instruction Set Computing)
  • Allround-Prozessor
  • komplexer Befehlssatz
  • Ausführung eines Befehls erfordert meist mehrere Taktzyklen
  • kleiner effizienter Befehlssatz
  • Befehle werden meist in einem einzigen Taktzyklus ausgeführt
  • Zerteilen komplexer Befehle
  • zusätzliche Speicher für die zerlegten Befehle (Register)

Thermal Design Power:

Unter der TDP versteht man die Verlustleistung des Prozessors unter Volllast. Die Verlustleistung wird in Watt angegeben und ist z.B. für die Wahl des CPU-Lüfters ausschlaggebend.

Sockel:

Bei Smartphones oder Laptops werden Prozessoren fest mit dem Mainboard verlötet. In einem PC werden Prozessoren in einen Sockel eingesetzt. Hierbei unterscheidet man zwischen 2 Sockeln, dem ZIF- und LGA-Sockel.

ZIF (Zero-Insertion-Force) LGA (Land-Grid-Array)
  • keine Kraft beim Einsetzen nötig
  • Pins der CPU werden in Sockel eingefürt
  • Arretierung durch Hebel
  • mechanische Beanspruchung der Pins (Scherkraft)
  • Kontaktflächen auf der Unterseite des Prozessors
  • Auflegen der CPU auf Federn
  • Anpressen der CPU, über Rahmen
  • hohe Taktfrequenzen möglich
  • keine Scherkräfte

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