Funktionsweise und Aufbau Funktionsweise und Aufbau einer CPUeiner CPU

&&der zeitliche Ablauf des x86der zeitliche Ablauf des x86

von von Francesco LucianoFrancesco Luciano

Und Und Sebastian ZanderSebastian Zander

CPUCPU

Der Der HauptprozessorHauptprozessor, englisch , englisch Central Processing UnitCentral Processing Unit oder kurz oder kurz CPUCPU genannt, im allgemeinen genannt, im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor bezeichnet, ist der zentrale Prozessor eines bezeichnet, ist der zentrale Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuertComputers, der alle anderen Bestandteile steuert

Steuerwerk Steuerwerk Rechenwerk Rechenwerk Registersatz Registersatz Adresswerk Adresswerk Schnittstelle zum Systembus Schnittstelle zum Systembus

Komponenten einer CPU

Das Steuerwerk (auch Leitwerk) ist der Kern des Das Steuerwerk (auch Leitwerk) ist der Kern des Mikroprozessors. Im Steuerwerk befinden sich Mikroprozessors. Im Steuerwerk befinden sich Befehlsregister und Befehlsdecoder. Seine Aufgabe ist Befehlsregister und Befehlsdecoder. Seine Aufgabe ist die Abarbeitung des Programms, d.h. Befehl für Befehl die Abarbeitung des Programms, d.h. Befehl für Befehl eines Programmes werden durch das Steuerwerk des eines Programmes werden durch das Steuerwerk des Mikroprozessors ausgeführt. Ein Befehl wird also Mikroprozessors ausgeführt. Ein Befehl wird also zunächst angefordert und muss nach dem Erhalt zunächst angefordert und muss nach dem Erhalt dekodiert werden. Danach werden die Operanden dekodiert werden. Danach werden die Operanden geladen, auf die der Befehl angewandt werden soll. geladen, auf die der Befehl angewandt werden soll. Jetzt erst kann die Ausführung stattfinden. Schließlich Jetzt erst kann die Ausführung stattfinden. Schließlich wird noch der Befehlszähler aktualisiert, und der Zyklus wird noch der Befehlszähler aktualisiert, und der Zyklus beginnt von Neuem.beginnt von Neuem.

Steuerwerk

Als Als RechenwerkRechenwerk oder oder OperationswerkOperationswerk bezeichnet bezeichnet man in der Mikroelektronik und technischen Informatik man in der Mikroelektronik und technischen Informatik ein Schaltwerk zur Ausführung der Maschinenbefehle ein Schaltwerk zur Ausführung der Maschinenbefehle eines Computerprogramms. Der Begriff wird häufig eines Computerprogramms. Der Begriff wird häufig synonym mit synonym mit ArithmeticArithmetic LogicalLogical Unit Unit (ALU) gebraucht, (ALU) gebraucht, genau genommen stellt eine ALU jedoch lediglich die genau genommen stellt eine ALU jedoch lediglich die zentrale Komponente eines Rechenwerks dar, das zentrale Komponente eines Rechenwerks dar, das zusätzlich aus einer Reihe von Hilfs- und zusätzlich aus einer Reihe von Hilfs- und Statusregistern besteht. Darüber hinaus kann ein Statusregistern besteht. Darüber hinaus kann ein Rechenwerk auch mehrere ALUs enthalten. Moderne Rechenwerk auch mehrere ALUs enthalten. Moderne Hochleistungsrechner verfügen über eine ganze Hochleistungsrechner verfügen über eine ganze Anzahl von Rechenwerken, die unabhängig Anzahl von Rechenwerken, die unabhängig voneinander arbeiten und jeweils auf die Ausführung voneinander arbeiten und jeweils auf die Ausführung spezieller Befehle spezialisiert sind.spezieller Befehle spezialisiert sind.

Rechenwerk

Als Registersatz (engl. Als Registersatz (engl. Register SetRegister Set) bezeichnet man ) bezeichnet man die Menge aller Register eines Mikroprozessors. Die die Menge aller Register eines Mikroprozessors. Die Menge derjenigen Register, welche durch Programme Menge derjenigen Register, welche durch Programme direkt angesprochen werden können, bezeichnet man direkt angesprochen werden können, bezeichnet man auch als das Programmiermodell eines Prozessors. auch als das Programmiermodell eines Prozessors. Über die Register des Programmiermodells hinaus Über die Register des Programmiermodells hinaus kann es weitere Register geben, die nur kann es weitere Register geben, die nur prozessorintern verwendet werden. Diese werden auch prozessorintern verwendet werden. Diese werden auch als Hilfsregister bezeichnet.als Hilfsregister bezeichnet.

Man unterscheidet innerhalb eines Registersatzes drei Man unterscheidet innerhalb eines Registersatzes drei Typen von Registern:Typen von Registern:

DatenregisterDatenregister dienen der Zwischenspeicherung von dienen der Zwischenspeicherung von Operanden und Rechenergebnissen. Operanden und Rechenergebnissen.

AdressregisterAdressregister werden zur Adressierung von werden zur Adressierung von Operanden und Befehlen verwendet. Operanden und Befehlen verwendet.

SpezialregisterSpezialregister finden in unterschiedlichen speziellen finden in unterschiedlichen speziellen Bereichen Anwendung. Bereichen Anwendung.

Registersatz

Die Busschnittstelle verbindet die internen Die Busschnittstelle verbindet die internen Busse des Prozessors mit der Außenwelt. Sie Busse des Prozessors mit der Außenwelt. Sie enthält Puffer zur Zwischenspeicherung von enthält Puffer zur Zwischenspeicherung von Adressen, Daten und Steuersignalen. Adressen, Daten und Steuersignalen.

Die CPU arbeitet intern mit einer möglichst Die CPU arbeitet intern mit einer möglichst niedrigen Spannung, damit die Erwärmung bei niedrigen Spannung, damit die Erwärmung bei hohen Taktfrequenzen in erträglichen Grenzen hohen Taktfrequenzen in erträglichen Grenzen bleibt. Die BIU sorgt deshalb auch für eine bleibt. Die BIU sorgt deshalb auch für eine Pegelanpassung zwischen dem CPU-Kern und Pegelanpassung zwischen dem CPU-Kern und dem externen Bussystem. dem externen Bussystem.

BusschnittstelleBusschnittstelle

Der Der x86

Der x86 hat eine lange Geschichte hinter sich. Er ist Der x86 hat eine lange Geschichte hinter sich. Er ist als Hauptvorreiter des von Normalbenutzern gekauften als Hauptvorreiter des von Normalbenutzern gekauften Heim PC‘s zu betrachten. Viele Firmen haben ihn oft Heim PC‘s zu betrachten. Viele Firmen haben ihn oft versucht zu kopieren und kaum jemand hat es versucht zu kopieren und kaum jemand hat es geschafft, ausser unterlegenen Klonen herzustellen geschafft, ausser unterlegenen Klonen herzustellen und zu verkaufen. Häufig wurden CPU‘s mit der und zu verkaufen. Häufig wurden CPU‘s mit der Grundlage des x86 hergestellt die oft weniger Leistung Grundlage des x86 hergestellt die oft weniger Leistung hatten, jedoch teilweise mit geringerem Preis als Low-hatten, jedoch teilweise mit geringerem Preis als Low-Budget Variante verkauft wurden.Budget Variante verkauft wurden.Folgend wird nun eine kleine Auflistung der wichtigsten Folgend wird nun eine kleine Auflistung der wichtigsten x86 Varianten aufgezählt, vom Anfang bis zur aktuellen x86 Varianten aufgezählt, vom Anfang bis zur aktuellen Intel CPUIntel CPU

1981 Durchbruch mit erster 16-Bit CPU:1981 Durchbruch mit erster 16-Bit CPU:

dem 80286, getaktet mit 8MHz und fast dem 80286, getaktet mit 8MHz und fast 130000 Transistoren. 130000 Transistoren. Dazu kam noch, dass diese CPU nun in Dazu kam noch, dass diese CPU nun in AT statt XT PC‘s verbaut wurde.AT statt XT PC‘s verbaut wurde.Intel wurde bevorzugter Intel wurde bevorzugter Prozessorlieferant.Prozessorlieferant.

1985 erste 32-Bit CPU: 1985 erste 32-Bit CPU:

80386 mit anfangs 16, später mit 20, 25 80386 mit anfangs 16, später mit 20, 25 und 33 MHzund 33 MHzErster Multitaskingfähige Intel CPUErster Multitaskingfähige Intel CPU

1989 80486 mit 1,2Mio Transitoren (4x soviel 1989 80486 mit 1,2Mio Transitoren (4x soviel

wie Vorgänger)wie Vorgänger)Cache-Controller hier 8KB großer Datencache Cache-Controller hier 8KB großer Datencache nun nicht mehr separat sondern intern.nun nicht mehr separat sondern intern.80486 bis 1994. Zunächst mit 25MHz, bis 1992 80486 bis 1994. Zunächst mit 25MHz, bis 1992 zum 80486DX2 mit 66 MHz und 1994 zum zum 80486DX2 mit 66 MHz und 1994 zum DX4 mit 100MHz weiterentwickelt.DX4 mit 100MHz weiterentwickelt.

Für mehr Leistung takten CPU‘s ab dem Für mehr Leistung takten CPU‘s ab dem

80486DX2 intern höher als extern, zum 80486DX2 intern höher als extern, zum Schutz anderer Schutz anderer Komponenten(Wärmeprobleme).Komponenten(Wärmeprobleme).

Zum Schutz gegen Cloner nächste CPU Zum Schutz gegen Cloner nächste CPU

Generation nicht 80586, sondern Pentium, da Generation nicht 80586, sondern Pentium, da namentlich schützbar.namentlich schützbar.Pentium anfänglich mit 3,1Mio Transistoren, Pentium anfänglich mit 3,1Mio Transistoren, taktet mit 60 oder 66MHz. Kann nun 2 Befehle taktet mit 60 oder 66MHz. Kann nun 2 Befehle pro Takt durchführen.pro Takt durchführen.

Nun zwei 8KB große Datencaches. Der eine Nun zwei 8KB große Datencaches. Der eine speichert Befehl, der andere Daten. speichert Befehl, der andere Daten.

Fertigung anfangs in 5-Volt Technik. Fertigung anfangs in 5-Volt Technik. Softwarekompatibel zu Vorgängern.Softwarekompatibel zu Vorgängern.

1994 3-Volt-Technik mit 90 und 100MHz und kurz 1994 3-Volt-Technik mit 90 und 100MHz und kurz

darauf mit 75MHz als Einstiegsvariante.darauf mit 75MHz als Einstiegsvariante. 1995 120MHz Version vom Pentium auf der Cebit.1995 120MHz Version vom Pentium auf der Cebit. Im November Pentium Pro mit 150, 166, 180 und 200 Im November Pentium Pro mit 150, 166, 180 und 200

MHz interner Taktrate und integriertem Second-Level-MHz interner Taktrate und integriertem Second-Level-Cache(Dreifache Datenübertragungsgeschwindigkeit.Cache(Dreifache Datenübertragungsgeschwindigkeit.

Auf 32-Bit optimiert, deswegen langsamer mit Windows Auf 32-Bit optimiert, deswegen langsamer mit Windows 95, da dieses auf 16-Bit optimiert und normaler 95, da dieses auf 16-Bit optimiert und normaler Pentium erst richtig schnell bei 16-Bit Anwendung.Pentium erst richtig schnell bei 16-Bit Anwendung.

1996 Pentium mit 150 und 166MHz.1996 Pentium mit 150 und 166MHz. Im Juni Vorstellung Pentium 200.Im Juni Vorstellung Pentium 200. 1997 Pentium MMX auf dem Markt mit 1997 Pentium MMX auf dem Markt mit

233MHz um auf AMD CPU zu reagieren.233MHz um auf AMD CPU zu reagieren. Im Mai Pentium II mit 233, 266 und 300MHz Im Mai Pentium II mit 233, 266 und 300MHz

interner Taktung und 32KB internem Cache.interner Taktung und 32KB internem Cache. Letztendliche Taktrate: 450MHzLetztendliche Taktrate: 450MHz

1998 Einführung der Low-Budget CPU Celeron mit abgespeckter 1998 Einführung der Low-Budget CPU Celeron mit abgespeckter Leistung als kostengünstige Alternative zum teuren PentiumLeistung als kostengünstige Alternative zum teuren Pentium

1999 Pentium III mit höheren Taktraten, einer verbesserten 1999 Pentium III mit höheren Taktraten, einer verbesserten Architektur und neuen Befehlssätzen (SSE). Mit neuem Architektur und neuen Befehlssätzen (SSE). Mit neuem Coppermine Kern höhere Taktraten möglich. Coppermine Kern höhere Taktraten möglich.

Mit Coppermine Kern Taktraten von 500 bis 1100MHz. Mit Coppermine Kern Taktraten von 500 bis 1100MHz. PIII mit Katmai Kern von 450 bis 600 MHz.PIII mit Katmai Kern von 450 bis 600 MHz. Mit Tualatin Kern von 1133 bis 1400 MHz.Mit Tualatin Kern von 1133 bis 1400 MHz. 2002 Celeron nun mit Tualatin Kern, später mit Willamette-Kern 2002 Celeron nun mit Tualatin Kern, später mit Willamette-Kern

des Pentium 4, so dass Taktraten bis 1800 Mhz möglich sind. des Pentium 4, so dass Taktraten bis 1800 Mhz möglich sind.

1999 Pentium 4 wird vorgestellt. Durch 1999 Pentium 4 wird vorgestellt. Durch

neue Kerne und neuen Befehlssatz neue Kerne und neuen Befehlssatz (SSE2) Taktraten über 1400MHz bis (SSE2) Taktraten über 1400MHz bis letztendlich sogar 3800MHz. Der letztendlich sogar 3800MHz. Der Pentium 4 wird bis 2004 weiterentwickelt.Pentium 4 wird bis 2004 weiterentwickelt.

10. Mai 2004 Intel bringt nach der 10. Mai 2004 Intel bringt nach der

Erscheinung 2003 verbesserte Variante Erscheinung 2003 verbesserte Variante des Pentium M auf den Markt.des Pentium M auf den Markt.

Nun 2MB L2-CacheNun 2MB L2-Cache Taktraten von 1,6 GHz bis 2,26 GHzTaktraten von 1,6 GHz bis 2,26 GHz 2005 Pentium M Modell mit 133MHz 2005 Pentium M Modell mit 133MHz

FSB(Front-Side-Bus) vor, dadurch FSB(Front-Side-Bus) vor, dadurch Beschleunigung des Datendurchsatzes.Beschleunigung des Datendurchsatzes.

Januar 2006 Intel Core wird vorgestelltJanuar 2006 Intel Core wird vorgestellt Stromsparvariante durch vollen Zugriff Stromsparvariante durch vollen Zugriff

der CPU auf L2 Cacheder CPU auf L2 Cache Nun 166 MHz FSB und SSE3 Nun 166 MHz FSB und SSE3

Befehlssatz.Befehlssatz. Taktraten von 1,5 GHz bis 2,16 GHzTaktraten von 1,5 GHz bis 2,16 GHz Intel nun vom Markennamen Pentium ab.Intel nun vom Markennamen Pentium ab.