Zentralprozessor (CPU)

Man unterscheidet Systeme mit nur einer CPU (single processing) und Mehrprozessorsysteme (multiprocessing). Die Motherboards müssen dann für den Einbau mehrerer CPUs geeignet sein.

Ein Zentralprozessor besteht aus dem Leitwerk (Steuerwerk = „Control Unit“) und dem Rechenwerk („Arithmetical Logical Unit“ = ALU). Das Rechenwerk ist für die arithmetischen Operationen zuständig, vom Steuerwerk kommen die dazu nötigen Anweisungen. Zwischenergebnisse werden in speziellen RAM-Bereichen gespeichert, die als Register bezeichnet werden.

Im ursprünglichen PC-Prozessor intel 8086 gab es 14 Register. Obwohl in neueren Prozessoren die Registerbreite zugenommen hat, gilt das ursprüngliche Konzept noch heute:

• Hauptregister AX, BX, CX, DX: Sie waren jeweils 16 Bit breit und dienten zur Speicherung von Daten. Das Register AX wird oft auch als Akkumulator bezeichnet; BX als Basisregister, CX als Zählerregister (count register) und DX als Datenregister.
• Segmentregister SS, CS, ES, DS: Die Stacksegment-, Codesegment-, Extrasegment- und Datensegment-Register werden verwendet, um Programme in einzelne Bereiche aufzuteilen. Bei der Ausführung des Programms werden den Segmentregistern die Basiswerte für jedes Segment zugewiesen.
• Offsetregister SI, DI (Source, Destination): Diese Register werden benötigt, um – ausgehend von den Segmentadressen – auf weitere Werte zuzugreifen.
• Stack Pointer SP: Enthält die Adresse des Stacks (Stapelspeichers). Im Stack werden von Programmen benötigte Werte temporär abgelegt. Dieser Speicherbereich ist als LIFO (Last-in-First-out) organisiert.
• Befehlszeiger, Instruction Pointer IP: Zeigt auf den als nächstes auszuführenden Befehl. Ein Pentium-Prozessor enthält in seinem Befehlssatz noch alle Befehle, die der 8086 hatte. Genauso verhält es sich mit den 32 bit-Registern (IA-32, Intel Architecture 32 bit), welche die ursprünglichen 16 bit-Register weiterhin als Untergruppe enthalten. In der folgenden Abbildung sind die wichtigsten Register eines 80386-Prozessors dargestellt, welcher 1985 der erste Prozessor auf dem Markt mit 32 bit-Architektur war:
• Allzweckregister:

• Hauptregister EAX, EBX, ECX, EDX: Das E bedeutet „extended“ (wegen der Erweiterung von 16 Bit auf 32 Bit); die jeweils untere Hälfte kann mit AX, BX, CX, DX angesprochen werden und entspricht den Hauptregistern im 8086-Prozessor.
• Stack Pointer ESP, EBP: Stack-Adressierung; dabei zeigt ESP auf die Spitze des Stacks, d.h. auf das zuletzt gebrauchte Wort, mit EBP wird der Stack frei adressiert.
• Offsetregister EDI, ESI: Diese Register werden nun für String-Operationen benötigt (String = Zeichenkette), wobei ESI auf die Datenquelle zeigt (extended source index) und EDI auf das Ziel (extended destination index)

• Segmentregister: SS, CS, ES, DS sowie FS, GS: noch immer 16 Bit; existieren wegen der notwendigen Kompatibilität zum 8086-Prozessor; siehe oben. Die Register FS und GS sind neu.
• Extended Instruction Pointer EIP: Zeigt auf den als nächstes auszuführenden Befehl.
• Extended Flags EFlags: Dieses Register unterscheidet sich insofern von allen anderen Registern, als die Flipflops einzeln gesetzt werden können; jedes Flipflop (welches einem Bit entspricht) hat dabei eine spezielle Bedeutung. Dabei unterscheidet man Statusflags und Steuerflags. Statusflags sagen etwas über das Ergebnis einer arithmetischen Operation aus, während Steuerflags dazu dienen, den Prozessor zu steuern.

Mit der Einführung der 64-Bit-Architektur (amd64, auch: x86-64) kam es zu einer weiteren Erweiterung der Register unter Beibehaltung der Kompatibilität zur 32 Bit-Architektur. Das Konzept wurde von AMD im Jahr 2000 vorgestellt, die ersten Prozessoren kamen 2003 auf den Markt.

• Allzweckregister: statt 8 Registern stehen nun 16 Allzweckegister zur Verfügung.
• Hauptregister RAX, RBX, RCX, RDX: Im 32 Bit-Modus werden wieder nur 32 Bit von diesen Registern benutzt, diese heißen dann wieder EAX usw.; die dann nicht genutzten oberen 32 Bit werden auf 0 gesetzt.
• Stack Pointer,  ,ehemalige Offsetregister RSP, RBP, RDI, RSI; analog 80386
• R8-R15: Diese Register stehen ausschließlich im 64 Bit-Modus zur Verfügung.
• RFlags, RIP: entsprechen EFlags und EIP, selbe Bedeutung

Im 64-Bit-Modus wird keine Speichersegmentierung mehr unterstützt, dadurch können Systemaufrufe wesentlich schneller abgearbeitet werden.

Die Inhalte der Register können unter Windows mit dem Tool WinDbg angezeigt werden, welches Bestandteil des Windows 10 Software Development Kit (Windows 10 SDK) ist.

Im Folgenden werden wesentliche Leistungsmerkmale eines Prozessors besprochen. Oft verwendet man das englische Wort „Performance“ für die Leistung eines Systems.

Befehlssatz

Ein Prozessor hat die Aufgabe, die durch ein Programm an ihn gerichteten Befehle zu verarbeiten. Jeder Prozessor hat eine unterschiedliche Sammlung von Befehlen, die er „versteht“. Programme dürfen daher nur aus Befehlen bestehen, die der Prozessor ausführen kann. So sind Programme, die für einen Apple-Computer mit dem Prozessor M 68030 geschrieben sind, nicht auf einem PC mit einem Pentium III-Prozessor ausführbar. Sie sind „nicht kompatibel“.

Nach der Anzahl der Prozessorbefehle unterscheidet man heute zwei große Gruppen:

CISC-Prozessoren (complex instruction set computer): Prozessoren mit dem vollen Sprachvorrat (einige hundert Maschinensprachebefehle). Klassische Linie der Prozessortechnik, heute vor allem durch die 80X86-Linie von INTEL und die 68XXX-Linie von MOTOROLA vertreten.

RISC-Prozessoren (reduced instruction set computer), d.h. ein Prozessor mit reduziertem Befehlssatz. Programme für solche Prozessoren sind zwar länger, aber wesentlich schneller. Diese Technik ist neuer, daher existieren noch nicht so viele Prozessoren auf dem Markt.

Taktfrequenz

Außerdem ist noch ein Taktgeber nötig, das ist ein speziell gefertigter Quarzkristall, der zusammen mit einer Hilfsschaltung regelmäßige Impulse über die so genannte „Taktleitung“ (auch: Clock-Leitung) an die CPU weitergibt. Charakteristisch für eine CPU ist also die sogenannte Taktfrequenz. Die Taktfrequenz wird in Megahertz, angegeben (1 MHz = 10⁶ Schwingungen/s), die neuesten Prozessoren (Stand: 2020) arbeiten bereits mit 5 GHz und mehr (1 Gigahertz = 1000 MHz).

Die Taktfrequenz ist maßgeblich für die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Prozessors. Der Takt steuert unmittelbar die Befehlsausführung des Prozessors. Die Geschwindigkeit des Prozessors wird meist durch die Anzahl der durchführbaren Prozessorbefehle oder Rechenoperationen in einer Sekunde angegeben:

• IPS instructions per second : Diese Einheit ist in erster Linie von der CPU abhängig. Sie gibt an, wie viele Maschinenbefehle ein Mikroprozessor pro Sekunde ausführen kann. Beispiel: Ein Intel Core i7-8086K kommt bei 5,0 GHz auf 221 720 MIPS (1 MIPS = 10⁶ IPS).
• FLOPS floating point operations per second: Durch diese Einheit wird die Leistungsfähigkeit der gesamten Rechnerarchitektur gemessen (also RAM, Bussystem, CPU). Die Berechnung erfolgt durch Multiplikation folgender Werte:
  Taktfrequenz,  Anzahl der CPU-Sockel-Anzahl physischer CPU-Kerne pro Sockel,Anzahl virtueller Kerne pro physischem CPU-Kern, Anzahl begonnene Befehle pro Takt, Datenworte pro Rechenregister ,nummerische Operationen pro Befehl
  
  Beispiel: Taktfrequenz 2,5 GHz, 2 Sockel, 24 physische Kerne, 2 virtuelle Kerne pro physischem Kern, 2 angefangene Befehle pro Takt, 8 Datenworte pro Rechenregister (256 Bit-Register), 2 numerische Operationen pro Befehl = 7,68 TFLOPS. Ein Intel Core i7-7700K, QuadCore, kommt auf 241 GFLOPS.

Bis Ende 2021 wird in Bologna (Italien) das Projekt „Leonardo“, ein Supercomputer mit einer Rechenleistung von 250 PetaFLOPS (1 PFLOP = 10¹⁵  FLOPS) und einer Speicherkapazität von über 100 Petabyte errichtet.

Die kostengünstigste Methode, einen Prozessor zu beschleunigen, ist daher die Erhöhung der Taktfrequenz. Jedoch erhöht sich dadurch der Stromfluss im Inneren des Prozessors und damit auch die Wärmeentwicklung. Für hochgetaktete Prozessoren ist daher eine Kühlung erforderlich. Früher genügte ein Wärmeleitblech, meist zusätzlich ein Ventilator, um die entstehende Wärme abzuführen. Heute bedient man sich einer Kombination aus Kühlkörper und Lüfter.

Eine exotischere Variante ist ein „Icecap“. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes Peltier-Element: Fließt Strom durch zwei Drähte unterschiedlicher Legierung, die an den Enden zusammengelötet sind, so kühlt sich eine Lötstelle ab, während sich die andere erwärmt. Durch diese „Kappe“ wird die Oberfläche des Prozessors auf einer konstanten Arbeitstemperatur zwischen 0 und 4°C gehalten. Dadurch ergibt sich zwischen der Oberfläche und dem eigentlichen Siliziumchip eine große Temperaturdifferenz (bis zu 140° C) und damit eine bessere Wärmeableitung. Diese Kühler sind aber in herkömmlichen PCs nicht in Verwendung.

Da der Taktgeber (der Quarzkristall) nur Taktfrequenzen von 66 MHz, 100 MHz oder 133 MHz produzieren kann (die sogenannte „Base Clock“), aber heute übliche CPUs mit einem wesentlich höheren Takt arbeiten, wurde die Taktvervielfachung eingeführt. Die Multiplikatoren sind ganzzahlig oder einfache Bruchzahlen:

Beispiel: Der 3,06 GHz-intel Pentium 4 läuft mit einer externen Taktfrequenz von 133 MHz und verwendet den Multiplikator 23, woraus sich die 3,06 GHz ergeben.

Die Systembusgeschwindigkeit und der Multiplikator mussten früher über Jumper (kleine Steckbrücken) am Motherboard eingestellt werden; heute teilt die CPU über eine spezielle Funktion ihre Kenndaten dem Motherboard mit, sodass die entsprechenden Parameter automatisch eingestellt werden.

Es zeigt sich bereits, dass neben den Festplatten die Frequenz des „Front Side Bus“, jene Frequenz, mit der die Komponenten am Motherboard – außer der CPU – arbeiten, den Flaschenhals für einen modernen PC darstellt. Intel Pentium III- und AMD-Prozessoren arbeiten mit einem 100- oder 133  MHz-Front Side Bus-Takt; heute übliche Intel- und AMD-Prozessoren unterstützen 400 – 800 MHz.

Ein hoher Bustakt ist vor allem für Grafiker interessant, da während einer Bildbearbeitung kaum auf die Festplatte zugegriffen wird, dafür aber umso mehr Daten über den Datenbus zwischen CPU und RAM laufen.

Arbeitsweise einer CPU

Ein von Neumann-Rechner arbeitet sequenziell. Nacheinander passieren immer wieder die folgenden zwei Schritte:

• Befehl holen: fetch cycle (immer gleich)
• Befehl ausführen: execution cycle (natürlich abhängig vom auszuführenden Befehl)

Beide zusammen nennt man den Befehlszyklus. Entscheidend für die Systemgeschwindigkeit ist die Dauer eines Befehlszyklus bei den wichtigsten Befehlen. Bei der Von-Neumann-Struktur laufen beide Teile des Befehlszyklus nacheinander auf dem einzigen Bussystem ab.

Pipelining

Um Parallelität in der Befehlsausführungsphase zu erreichen, wird der Datenpfad so konstruiert, dass folgende (hier fünf) Phasen unabhängig voneinander arbeiten können. Nur so ist es möglich, eine verzahnte Abarbeitung mehrerer Befehle zu erreichen.

• Befehlscode laden (IF, Instruction Fetch): In der Befehlsbereitstellungsphase wird der Befehl, der durch den Befehlszähler adressiert ist, aus dem Arbeitsspeicher geladen. Der Befehlszähler wird anschließend hochgezählt.
• Instruktion dekodieren und Laden der Daten (ID, Instruction Decoding): In der Dekodier- und Ladephase wird der geladene Befehl dekodiert (1. Takthälfte) und die notwendigen Daten aus dem Arbeitsspeicher und dem Registersatz geladen (2. Takthälfte).
• Befehl ausführen (EX, Execution): In der Ausführungsphase wird der dekodierte Befehl ausgeführt. Das Ergebnis wird durch den Pipeline-Latch gepuffert.
• Ergebnisse zurückgeben (WB, Write Back): In der Resultatspeicherphase wird das Ergebnis in den Arbeitsspeicher oder in den Registersatz zurückgeschrieben.

Jede der vier Phasen wird in eine Anzahl von Schnittstellen bzw. Zyklen eingeteilt. Ein Taktzyklus ist die kleinstmöglich verarbeitbare Einheit. Somit benötigt ein Befehl zur Ausführung im Allgemeinen mehr als einen Taktzyklus.

Cache

Um die PCs nicht zu teuer zu machen, andererseits aber ihre Rechengeschwindigkeit zu steigern, hilft man sich mit einem (hardwaremäßigen) Level 1 (L1)-Cache (Pufferspeicher, „cache“ engl. = „Versteck, geheimes Vorratslager“), welches aus einem SRAM-Chip besteht. Dieser Speicherbereich ist meist relativ klein (z.B. 20 KiB) und wird zwischen Prozessor und Hauptspeicher geschaltet. In diesen Speicher legt der Prozessor Datensätze, die er zwar nicht immer, aber sehr oft bei der Verarbeitung benötigt. Ab dem Pentium Pro- bzw. Pentium II-Prozessor ist Intel dazu übergegangen, den Cache in die CPU zu integrieren. Dadurch ist ein Takten des Cache mit der CPU-Taktfrequenz möglich, wodurch der Zugriff auf den Cache und der Datentransfer vom Cache zur CPU wesentlich schneller abläuft (noch bei Pentium-Motherboards war der Cache auf dem Motherboard installiert und mit dem wesentlich niedrigeren Bus-Takt von 33 oder 66 MHz getaktet).

Gängige Zentralprozessoren verfügen darüber hinaus noch über einen Level 2 (L2)-Cache, der – heute meist ebenfalls on-chip – zwischen 128 KB und 2048 KB umfasst.

Rechner der gehobenen Leistungsklasse können weitere Caches aufweisen; so besitzt der für Multiprozessorsysteme geeignete Intel Xeon MP-Prozessor einen 4 MB großen Level 3 (L3)-Cache am Chip. Bestimmte Serversysteme besitzen darüber hinaus noch einen externen, am Motherboard eingebauten Level 4 (L4)-Cache.

Mehrkernprozessoren

Die bis ca. 2005 üblichen Einkernprozessoren wurden schrittweise von Mehrkernprozessoren verdrängt. Als Mehrkernprozessor (auch Multicore-Prozessor oder Multikernprozessor) bezeichnet man einen Mikroprozessor mit mehr als einem vollständigen Hauptprozessor auf einem einzigen Chip. Sämtliche Ressourcen mit Ausnahme des Bus und eventuell einiger Caches sind mehrfach vorhanden. Es handelt sich also um mehrere vollständige, weitgehend voneinander unabhängige Prozessoren inklusive eigener arithmetisch-logischer Einheit (ALU), Registersätze und, sofern überhaupt vorhanden, Floating Point Unit (FPU).

Heute sind auch im PC-Bereich Mehrkernprozessoren Standard. Meist werden Vier-Kern-Prozessoren (Quad Core), Sechs-Kern-Prozessoren (Hexa-Core) oder – vor allem im leistungsstarken Gaming-Bereich – Acht-Kern-Prozessoren (Octa-Core) verbaut. AMD bietet seit 2017 auch 12- und 16-Kern-Prozessoren an (AMD Ryzen Threadripper 1920X bzw. 1950X).

Analysieren der vorhandenen Hardware

Es existieren Hardware-Analyse-Programme, die sehr genaue Informationen über die vorhandene Systemhardware liefern, etwa CPU-Z (Hersteller: https://www.cpuid.com).

Man kann detaillierte Informationen über das Motherboard sowie verschiedene Hardwarekomponenten wie CPU, RAM oder Grafikkarte erkennen.

Wichtige Prozessorserien

Heute teilen sich einige wenige Hersteller den Mikroprozessor-Markt; es sind dies die Firmen

• Intel
• AMD
• Motorola
• NEC
• National Semiconductor
• Texas Instruments
• Silicon Graphics

Derzeit arbeiten 85 % aller PCs mit Intel-Prozessoren.

Intel-Prozessoren

Anfang der 80er Jahre entwickelte sich die Firma IBM zum Marktführer, indem sie ihre Rechner mit den 8086/8088-Prozessoren von Intel und dem Betriebssystem DOS von Microsoft ausrüstete. Somit wurden diese beiden Merkmale zum Industriestandard; sämtliche Weiterentwicklungen beruhten auf diesem Standard.

Bis zum Pentium-Prozessor favorisierte Intel den Motherboard-Sockel 7, ein quadratischer Steckplatz.

Pentium II und Pentium III nutzten den einbaufreundlichen Slot-1; der Prozessorchip ist hier in einer Kassette eingebaut, die – ähnlich wie Erweiterungskarten oder Arbeitsspeichermodule – senkrecht in einen speziellen Sockel eingesteckt wird.

Hier noch allgemeine Informationen zu den sich abzeichnenden Tendenzen:

• Man beobachtet, dass man mit dem stetig steigenden Systemtakt und dem größer werdenden L2-Cache (auf der CPU) dem Flaschenhals CPU-RAM-Verbindung zuleibe rücken will (100-133-200-400-600 MHz).
• Der Spannungsbedarf der Prozessoren wird immer geringer; der Pentium MMX benötigt nur mehr 2,8 V Versorgungsspannung, der 80486er arbeitete noch mit 5 V.
• Pro Jahr steigen die Ansprüche an die Busbreite um ca. 0,6 bit.
• Die großen Prozessorhersteller Intel und AMD haben verschiedene Sockel- und Slot-Bauformen für ihre zukünftigen CPUs, sodass man sich beim Motherboard-Kauf sehr wohl überlegen muss, welcher Prozessor zum Einsatz kommen soll
• 1998 kam ein ”abgespeckter” Pentium II-Chip mit dem Namen ”Celeron” auf den Markt. Unterschied zum Pentium II: Der Celeron hat keinen Cache (Zwischenspeicher).

Intel-x86-Prozessor-Serie

Xeon-Prozessoren

Die Xeon-Prozessorserie beschreibt High End-Prozessoren, die auf Pentium II/III/4-Prozessoren aufbauen. Xeon-Prozessoren wurden speziell für den Mehr-Prozessor-Betrieb in Server-PCs entwickelt.

Dual Core- und Quad Core-Prozessoren

Intel Core

Intel Core i

Grundsätzlich unterteilt Intel die aktuellen Prozessoren mit Hilfe der Bezeichnungen i3,i5, i7 und i9 in Leistungsklassen. Welches Anhängsel ein Prozessor erhält, hängt nicht vom verwendeten Sockel, sondern von den Prozessoreigenschaften ab – wie etwa die Anzahl der Kerne (englisch cores), Hyper-Threading-Unterstützung, die Breite der Speicheranbindung und die Unterstützung kurzzeitiger Übertaktungen (mit dem auch sogenannten Turbo-Modus oder englisch turboboost) spielen eine wichtige Rolle, aber auch andere Features wie Trusted Execution Technology (TXT) sowie Teile des Caches können bei Prozessoren mit kleineren Modellnummernanhängseln deaktiviert sein.

Man kann daher nicht sagen, dass Core-i3-CPUs grundsätzlich weniger leistungsfähig bzw. langsamer als Core-i5- oder Core-i7-CPUs sind. Seit 2017 gibt es auch die Core-i9-CPU-Reihe, deren Top-Modelle 18 Prozessorkerne haben.

AMD-Prozessoren

Viele Firmen bauen die Prozessoren der 80X86-Familie nach. Bekannt sind z.B. die Prozessoren der Firmen IBM oder AMD. AMD sieht als Zielgruppe in erster Linie Privatnutzer und stellt kostengünstige CPUs her, die für Spiele und ähnliche Unterhaltungssoftware optimiert sind.

Im Desktopsegment bietet AMD aktuell (2017) den AMD Ryzen, AMD FX, den Phenom II, den Athlon II, den Sempron und die AMD-Fusion-APUs an. Diese gibt es in Ausführungen mit zwei bis acht Kernen.

Eine komprimierte und daher unvollständige Auflistung der wesentlichen AMD-Prozessorgenerationen findet man in folgender Tabelle:

Apple

Nachdem Apple jahrelang (2006 – 2020) seine Geräte mit intel-Prozessoren ausgestattet hatte, erfolgte 2020 ein Strategiewechsel: Apple verwendet für diverse MacBook-Geräte nun eine Eigenentwicklung, die vom taiwanesischen Unternehmen TSMC in 5 nm-Technologie gefertigt wird.

Eine Besonderheit ist die Fertigung als „System on a Chip“ (SoC): Neben der eigentlichen CPU-Funktionalität befinden sich auch GPU, Sicherheitschip, RAM und I/O-System inklusive Thunderbolt auf dem M1-Chip. Auf dem Chip befinden sich 16 Mrd. Transistoren.

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Christian Zahler

Studium an der TU Wien (Chemie, Physik, Mathematik, Informatik), selbstständige Tätigkeit (IT & Consulting) mit Spezialisierung auf Schulungskonzepte in der Erwachsenenbildung, derzeit Unterrichtstätigkeit am Francisco Josephinum Wieselburg (Landtechnik-Abteilung, technische und naturwissenschaftliche Fächer, Schwerpunkte Elektro- und Automatisierungstechnik und Mechanik), seit unendlich langer Zeit dem ClubComputer freundschaftlich verbunden, Autor von Artikeln in PCNEWS.

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