Projekt:2016/Geschichte der Informatik/Aufbau von Prozessoren

Ein Prozessor oder auch bekannt als Central Processing Unit oder CPU ist eine Maschine, die gemäß gebenen Befehlen elektrische Schaltungen steuert und dabei einen Prozess vorantreibt, was meistens die Datenverarbeitung beinhaltet. Am populärsten sind Prozessoren als zentrale Recheneinheiten in Computern bekannt, in denen sie Befehle ausführen.

Aufbau

Ein moderner CPU wird aus einem:

• Steuer- bzw. Leitwerk, welches die Ausführung der Anweisungen kontrolliert.
• Rechenwerk, welches die Elementaroperationen eines Prozessors durchführt. ( Aufgrund der Komplexität moderner Prozessoren, bei denen meist mehrere Rechenwerke mit spezialisierten Funktionen vorhanden sind, spricht man allgemein meist vom Operationswerk.)
• Register, in dem Daten (als Datenregister) und, abhängig vom Prozessortyp, auch Adressen (als Adressregister) aufgenommen werden können. Sie stellen daher die erste Stufe der Speicherhierarchie dar.
• Speichercontroller, der den Datenfluss zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher steuert.
• Cache, der schon verwendete Daten für den Fall der Wiederverwendung speichert. Der Cache kann in drei verschiedene Typen unterschieden werden: Den L1-Cache, der direkt im Prozessor sitzt und nur 64-128kb groß aber dafür sehr schnell ist, Den L2-Cache, der sich außerhalb des Prozessor-Kerns befindet und 256-2048kb groß ist, und den L3-Cache, der am weitesten vom Prozessor-Kern entfernt ist, jedoch bis zu 256mb groß ist.

Arbeitsweise eines Prozessors

Der Befehlszähler im Steuerwerk enthält die Adresse, an dem sich der aktuelle Befehl befindet. Der Prozessor wartet nun bis die Daten der jeweiligen Adresse geladen wurden. Die Wartezeit kann stark variieren je nachdem ob die Daten aus dem Cache, dem Arbeitsspeicher oder der Festplatte geladen werden. Daraufhin werden die Daten im Steuerwerk dekodiert und der Befehlszähler des Steuerwerks bereits um eins erhöht, um den nächsten Befehl zu zeigen. Die ALU aus dem Rechenwerk vernetzt sich nun mit den dekodierten Daten und führt die gewünschte Operation durch. Das Ergebnis wird anschließend in den Cache geschrieben oder sofort für die nächste Operation weiterverwendet.

Da der Befehlszähler bereits auf den nächsten Befehl zeigt, kann der Zyklus (auch Von-Neumann-Zyklus genannt) erneut beginnen.

Aufbau an einem Beispiel

Das Beispielobjekt ist der „Intel i7 4770K“

Er besitzt eine Taktrate von 3.5 GHz und vier Kernen, das heißt: jeder Kern schafft es also 3,5 Mrd. Arbeitsschritte in der Sekunde auszuführen. Im Inneren befindet sich der eigentliche Prozessorchip, welcher bei einer Fläche von 177mm² 1,4 Mrd. Transistoren besitzt.

Auf dem Chip sind nun einige Bereiche zu erkennen:

• In der Mitte befinden sich die 4 Prozessorkerne, in denen sich Steuer- und Rechenwerke aber auch der L-1 Cache befinden.
• Darunter findet sich der L-3 Cache, den sich die Kerne teilen.
• Darunter wiederum der Speichercontroler, der die Kommunikation zwischen CPU und Arbeitsspeicher regelt.
• Im rechten Bereich, dem System Agent finden sich zusätzlich zu den Einheiten für die Ein- und Ausgabe auch eine Power-Control-Unit, die Versorgungsspannungen und Temperatur überwacht und kleine Spannungswandler, da die Teilbereiche verschiedene Spannungen benötigen.

Er ist außerdem für die Display-Ausgabe zuständig.

• Links ist eine Grafikeinheit, in diesem Fall die „HD-Graphics 4600“, die es ermöglicht ohne externe Grafikeinheit den Computer zu benutzen, was aber leistungstechnisch nur für den Desktop Bereich ausreicht.

Eine automatische Übertaktung bei Bedarf ist bei diesem Modell möglich.