Aufbau und Aufgaben des

Prozessors (CPU)© by Manuel RAMSIMMER© by Manuel RAMSIMMER

IKP - 1. SemesterIKP - 1. SemesterPH–OÖ-LinzPH–OÖ-Linz

Der CPU als BauteilDer CPU als Bauteil(Abkürzung für „Central Processing Unit“)

Aus welchen Teilen besteht ein CPU Aus welchen Teilen besteht ein CPU eigentlich?eigentlich?

• ALU (Arithmetic-Logical Unit)• Die Register• Das Steuerwerk• Die Befehlstabelle (Introduction Table)• Aus verschiedenen Bussen

(Datenleitungen)

Cache-SpeicherCache-Speicher

• Sind sehr kleine aber schnelle Zwischenspeicher

• Macht den CPU erheblich wirtschaftlicher• Es gibt:

° Level-1-Cache° Level-2-Cache

Leistungsmerkmale der CPULeistungsmerkmale der CPU

• Das WICHTIGSTE ist die Wortbreite

• Breite des Datenbusses

• Die Breite des Adressbusses

• Die Breite des Steuerbusses

Die Taktfrequenz (Clock rate)Die Taktfrequenz (Clock rate)

• Ist ein vielfaches des Mainboard-Taktes(Front Side Bus Clock Rate)

• Mit Hilfe einer Steckbrücke (JUMPER) oder eines DIP-Schalters kann man die Multiplikation einstellen

Was sind Effizienzmesswerte?Was sind Effizienzmesswerte?

Die Effizienz entspricht eigentlich der Taktrate ABER:

Sie kann auch durch folgende Werte gemessen werden:

• MIPS (Million Introductions Per Second) für die Anzahl der Befehle

• FLOPS (Floating Point Operation Per Second) für Mulimedia Fähigkeiten eines CPUs, 3-D-Grafik, Audio und Videoperformance -> schnelle Fließkommaberechnungen

ProzessorarchitekturenProzessorarchitekturen

• Das klassische Modell:

° aus den 70er Jahren ° tendiert zu komplexen Anweisungen

bei der Prozessorinstruktionen ° wurde nachträglich als CISC

(Complex Introduction Set Computer) bezeichnet

also als Rechner mit KOMPLEXEM Befehlsatz

• Das moderne Modell:

° ab den 80er Jahren ° versucht die Struktur des CPUs

zu vereinfachen ° Befehlssatz auf wenige, besonders

schnell & einfache Befehle vermindert ° Beschleunigung der einfachen Befehle:

+ Anordnung in Pipeline-Form ° beim klassischen Prozessordesign – lesen des nächsten Befehls erst wann der andere FERTIG gelesen ist !!! NACHTEIL !!!

CISC-WeiterentwicklungCISC-Weiterentwicklung(Central Instruction Set Computer)(Central Instruction Set Computer)

• Intel Prozessoren:

- enthielt schon damals Funktionen wie z.B. die Pipelines…

- Ausstattung mit Multimedia(MMX – MultiMedia eXtensions)

• AMD-Athlon-Prozessoren (kompatible):

- komplexer Befehlssatz- Erweiterung namens 3D Now!- Ausstattung des Prozessors mit

zusätzlichen Spezialbefehlen

RISC-Prozessoren – BeispieleRISC-Prozessoren – Beispiele(Reducted Instruction Set Computer)(Reducted Instruction Set Computer)• fast alle verwenden RISC-Architektur wie z.B.: ° Apple ° IBM

° Motorola Entwicklung von PowerPC-CPUs

• Prozessoren der Reihe: ° Sun SPARC- ° Digital Alpha- ° MIPS-CPUs

Nachteile von RISC-CPUsNachteile von RISC-CPUs

• benötigen mehr Arbeitsspeicher !!!

• ABER es werden laufend RISC ähnliche Befehle in den AMD und Intel CPUs verarbeitet und Erneuerungen durchgeführt !!!

Wie arbeitet ein Prozessor ?Wie arbeitet ein Prozessor ?1. Aktueller Befehl wird gelesen – dieser wird vom

Befehlszeiger angezeigt2. CPU schlägt Nummer des Befehls in Befehlstabelle

nach – liest passende Anzahl der Bytes als Parameter – Befehlszeiger rückt hinter letztes Byte – für nächsten Befehl bereit

3. Befehl wird ausgeführt – komplexeste Teil der CPU-Tätigkeit – je nach Befehlsart werden dann Peripheriegeräte, ALU, Sprünge, … angesteuert

4. Falls Sprung stattfindet – Befehlszeiger wird an entsprechende Position gesetzt – andernfalls geht es an der ermittelten Parameterstelle weiter !!!

SprungbefehleSprungbefehleEs gibt 2 verschiedene Sprungarten:

• UNBEDINGTER Sprung: tritt ein sobald entsprechender Befehl gelesen wird…

• BEDINGTER Sprung: treten nur dann auf, wenn bestimmte Bedingungen

zutreffen, wie z.B. Zuständen eines Flag-Registers. FLAGS = Statusbits, deren Werte z.B. durch

Vergleichsoperationen gesetzt werden.

Hardware-InterruptsHardware-Interrupts

Dienen zur Kommunikationserleichterung

zwischen den Hardwarekomponenten !!!

MaschinenbefehleMaschinenbefehle

• lassen sich mit den Befehlen in Programmiersprachen vergleichen

• Jedoch befinden sich diese auf einem NIEDRIGEREN Niveau !!!

• der CPU „weis“ nicht, dass er z.B. ein Video abspielt, sondern das sind nur Rechenschritte für ihn !!!