~~SLIDESHOW~~
Prozessoren sind überall zu finden, sie sind in allen elektronischen Produkten (Handys, PDA's etc.).
Umganssprachlich ist der Hauptprozessor gemeint (CPU = Central Process Unit).
Am Motherboard und Karten sind aber noch mehrere.
Prozessoren rechnen nur im Binärsystem, daraus wird in mehreren Arbeitsschritten eine Oberfläche, die am Bildschirm zu sehen ist.
Die beiden bekanntesten und erolgreichsten Prozessorhersteller (heute) sind:
Ein Prozessor besteht aus
Register sind prozessorinterne Speicher, die sehr nahe und schnelle Verbindungen zu anderen Prozessorkomponenten bereitstellen. Nur mit den Daten in den Registern können direkt Operationen ausgeführt werden. Sie stellen daher die erste Stufe der Speicherhierarchie dar.
Von den Eigenschaften und insbesondere der Größe der Register (abhängig vom Prozessortyp) hängt u. a. die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Prozessors ab.
Das Rechenwerk (engl. Arithmetic Logical Unit, ALU) führt die Elementaroperationen eines Rechners durch. Es kann sowohl arithmetische (etwa die Addition zweier Zahlen) als auch logische (etwa AND oder OR) Operationen ausführen.
Der Befehlsdecoder übersetzt binäre Maschinenbefehle mit Hilfe der Befehlstabelle (engl. Instruction Table) in entsprechende Anweisungen, welche die für die Ausführung des Befehls benötigten Schaltungen aktivieren.
Das Steuerwerk kontrolliert die Ausführung der Anweisungen. Es sorgt dafür, dass der Maschinenbefehl im Befehlsregister vom Befehlsdecoder decodiert und vom Rechenwerk ausgeführt wird, lädt den an der im Befehlszählerregister hinterlegten Adresse befindlichen Befehl ins Befehlsregister sowie die nächste Adresse ins Befehlszählerregister.
Moderne Prozessoren, die in PCs oder anderen Geräten, die eine schnelle Datenverarbeitung benötigen, eingesetzt werden, sind mit sogenannten Caches ausgestattet. Caches sind Zwischenspeicher, die die letzten verarbeiteten Daten und Befehle enthalten und so die rasche Wiederverwendung ermöglichen. Sie stellen die zweite Stufe der Speicherhierarchie dar. Normalerweise besitzt ein Prozessor bis zu drei verschiedene Caches:
Kurzer Abstecher zur Speicherhierachie:
Die Grafik ist sehr alt, d.h die Speichergrößen sind um ein vielfaches höher und die Zugriffszeiten kürzer.
Die beiden wesentlichen Grundarchitekturen für CPUs sind die Von-Neumann- und die Harvard-Architektur.
Bei der nach dem Mathematiker John von Neumann benannten Von-Neumann-Architektur gibt es keine Trennung zwischen dem Speicher für Daten und Programmcode. Dagegen sind bei der Harvard-Architektur Daten und Programm in strikt voneinander getrennten Speicher- und Adressräumen abgelegt.
Beide Architekturen haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Die Von-Neumann-Architektur ist aus der Sicht des Programmierers einfacher zu handhaben. Andererseits kann diese Selbstmodifikation auch durch Programmfehler zu noch größeren Fehlern führen. Durch die Trennung in zwei physikalische Speicher hat die Harvard-Architektur potenziell eine höhere Leistungsfähigkeit; nachteilig ist dagegen, dass die Speigetrennt aufgerufen werden müssen.
Aktuell basieren fast alle verwendeten CPUs auf der Von-Neumann-Architektur, es gibt jedoch Ausnahmen besonders im Bereich der Microcontroller, und es gibt Mischformen. So ist es nicht unüblich, dass eine CPU intern dem Harvard-Prinzip ähnelt, um mit möglichst vielen parallelen Datenpfaden eine hohe Leistung zu erzielen, extern aber einen gemeinsamen Speicher nutzt.
Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Halbleitertechnik entstanden CPUs mit immer komplexeren Befehlssätzen. Diese Art von Befehlssätzen werden als CISC oder „Complex Instruction Set Computing“ bezeichnet. In den 1980er Jahren entstand als Reaktion darauf das RISC-Konzept, bei dem die Zahl der Befehle reduziert wurde und dadurch schneller arbeiten kann.
Bei aktuellen CPUs ist die Unterscheidung zwischen RISC und CISC kaum noch möglich. Die weit verbreitete x86-Architektur als typischer Vertreter der CISC-Klasse ist intern eigentlich längst eine RISC-Architektur, die die komplexeren Befehle quasi emuliert, also nachbildet.
Eine weitere Art von Methoden sind VLIW. Dort werden mehrere Instruktionen in einem Wort zusammengefasst. Dadurch ist vom Anfang an definiert, auf welcher Einheit welche Instruktion läuft. Out-of-Order-Ausführung, wie sie in modernen Prozessoren zu finden ist, gibt es bei dieser Art von Befehlen nicht.
Als Prozessorkern (engl. „core“) bezeichnet man das eigentliche Rechen- und Steuerwerk 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 Mehrkernprozessor (Multi-Core-Prozessor) 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.
Wenn die Kerne in Reihen und Spalten angeordnet sind, ist die Anzahl der Kerne immer 2^n. Bei Anordnungen auch übereinander, sind diese dann Kombinationen. zB Dual-Quad-Core: 2 x 4 = 8
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. In der neuesten Prozessorgeneration ist ein einzelner Transistor nur noch 45 Nanometer groß. So werden heute (2008) bis zu 1,9 Milliarden Transistoren in einem Prozessor verbaut. Mit den derzeit verwendeten Fertigungsmethoden soll es nach Angaben der Hersteller sogar möglich sein, Transistoren bis zu einer Größe von nur 32 Nanometern zu erzeugen. Durch die EUV-Lithografie sollen noch kleinere Strukturen möglich sein. Die Entwickler werden jedoch bei einer bestimmten Größe auf nicht vorhersehbare Quanteneffekte stoßen, die die konventionelle Herstellung immer kleinerer Strukturen unmöglich machen. Langfristig werden aber sehr wahrscheinlich sogenannte Quantencomputer die klassische Transistortechnik ablösen.
Damit der Prozessor nicht „durchbrennt“, muss er gekühlt werden, wofür meist wird die aktive Lüftkühlung verwendet.
Hier eine Liste alle Kühlungstypen.
Man unterscheidet zwischen: