ALU, Pipeline und Komponenten des Prozessors: Funktionsweise

Zusammenfassung

Der Text erklärt den Aufbau und die Funktionsweise der ALU (Arithmetic Logic Unit) mit operativer Schaltung, Eingaberegistern, Akkumulator und Statusregister. Außerdem werden Prozessorkomponenten wie Rapid Execution Engine und Execution Trace Cache sowie das Prinzip der Pipeline-Technologie vorgestellt. Ein Leser lernt damit, wie Befehle im Prozessor verarbeitet werden und warum ein Befehl nicht zwingend pro Taktzyklus abgeschlossen wird.

Kernpunkte

Die ALU besteht aus operativer Schaltung, Eingaberegistern (REN), Akkumulator-Register und Statusregister (Flags).
Das Statusregister hält Bedingungen früherer Operationen fest, z. B. ob ein Subtraktionsergebnis null, positiv oder negativ war.
Die Rapid Execution Engine basiert auf zwei ALUs und zwei AGUs und verarbeitet pro Taktzyklus zwei Operationen mit ganzen Zahlen.
Der Execution Trace Cache liegt nach dem Decoder, speichert decodierte Anweisungen und kann etwa 12.000 µOP enthalten.
Ein Befehl kann mehrere Mikroinstruktionen umfassen und wird daher nicht zwingend in einem einzigen Taktzyklus ausgeführt.
Eine Pipeline ist die Abfolge von Phasen, die eine Anweisung durchläuft; mehrere Anweisungen befinden sich gleichzeitig in verschiedenen Stufen.
Nicht alle Anweisungen durchlaufen alle Pipeline-Stufen; einige benötigen nur einen Teil davon.

Stellen Sie sich auf die Probe

Die ALU (Arithmetic Logic Unit)

Die ALU wird durch folgende Komponenten gebildet:

Operative Schaltung: Sie enthält die notwendigen Schaltkreise, um Operationen mit Daten aus den Eingaberegistern (REN) durchzuführen. Diese Schaltung verfügt über einen Befehlseingang, der die Art der auszuführenden Operation (Addition, Subtraktion etc.) auswählt.
Eingaberegister (REN): Diese speichern die Daten oder Operanden, die vor Abschluss der Transaktion an der operativen Schaltung beteiligt sind. Sie werden auch verwendet, um Zwischen- oder Endergebnisse der jeweiligen Operationen zu speichern.
Akkumulator-Register: Speichert die Ergebnisse der von der operativen Schaltung durchgeführten Tätigkeiten. Es ist mit den Eingaberegistern für Feedback bei verketteten Transaktionen verbunden. Zudem besteht eine direkte Verbindung zum Datenbus, um Ergebnisse an den Hauptspeicher oder die Steuereinheit zu senden.
Statusregister (Flags): Ein Register, in dem Bedingungen festgehalten werden, die bei vergangenen Operationen aufgetreten sind und für weitere Abläufe relevant sein könnten. Beispiel: Bei einer Subtraktion wird aufgezeichnet, ob das Ergebnis null, positiv oder negativ war.

Weitere Komponenten

Rapid Execution Engine

Sie basiert auf zwei ALUs und zwei AGUs (Address Generation Unit). Sie kann pro Taktzyklus zwei Operationen verarbeiten, da sie jede Halbwelle nutzt. Sie verarbeitet grundlegende Operationen mit ganzen Zahlen.

Execution Trace Cache

Dieser befindet sich nach dem Decoder. Die Anweisungen werden decodiert und zwischengespeichert. Er bietet 6 µOP alle 2 Zyklen (äquivalent zu 3 µOP pro Zyklus) und kann etwa 12.000 µOP enthalten.

Pipeline-Technologie

Die Ausführung eines einzelnen Befehls erfolgt nicht in einem einzigen Taktzyklus, da ein Befehl mehrere Mikroinstruktionen enthalten kann. Daher entspricht die Prozessorleistung nicht zwingend einer Anweisung pro Zyklus.

Mit der Einführung der Pentium-Reihe wurde ein Mikro-System eingeführt, das mehrere Anweisungen gleichzeitig behandeln kann (Pipeline).

Die Pipeline ist die Abfolge von Phasen, die eine Anweisung durchläuft (z. B. Decodierung, Ausführung). Jede Stufe dauert mindestens einen Zyklus. Je länger die Pipeline (Anzahl der Phasen), desto mehr Zyklen sind erforderlich, um eine einzelne Anweisung abzuschließen. Während eine Anweisung eine Stufe verlässt, befinden sich andere Anweisungen in den vorhergehenden Stufen – ähnlich einer Fertigungskette.

Hinweis: Nicht alle Anweisungen durchlaufen alle Stufen der Pipeline; einige erfordern nur einen Teil davon.

Häufige Fragen

Was ist die Aufgabe des Statusregisters (Flags) in der ALU?

Das Statusregister hält Bedingungen fest, die bei vergangenen Operationen aufgetreten sind und für weitere Abläufe relevant sein können. Bei einer Subtraktion wird zum Beispiel aufgezeichnet, ob das Ergebnis null, positiv oder negativ war.

Warum entspricht die Prozessorleistung nicht immer einer Anweisung pro Zyklus?

Ein Befehl kann mehrere Mikroinstruktionen enthalten und wird deshalb nicht in einem einzigen Taktzyklus ausgeführt. Zudem durchläuft er mehrere Pipeline-Stufen, von denen jede mindestens einen Zyklus dauert.