Grundlagen und Konzepte von Mikroprozessoren

1. Der Kern (Core) eines modernen Mikroprozessors

Der Kern ist der zentrale Teil des Mikroprozessor-Designs. Hier befinden sich verschiedene Schlüsseleinheiten wie die Steuereinheit (UC), die Arithmetisch-Logische Einheit (ALU), interne Register, der L1-Cache und interne Busse.

Diese Komponenten arbeiten typischerweise mit höheren Frequenzen und niedrigeren Spannungen als die Komponenten, die sich an der Peripherie des Mikroprozessors befinden (z. B. der L2-Cache oder die Eingangs-/Ausgangs-Busse).

2. Taktraten und Multiplikator definieren

Interne Taktrate (Core Clock)

Die Geschwindigkeit, mit der der Mikroprozessor intern arbeitet.

Externe Taktrate (FSB – Front Side Bus)

Die Geschwindigkeit, mit der der Front Side Bus läuft. Dieser Bus verbindet den Mikroprozessor mit der Hauptplatine.

Multiplikator (Vielheitsfaktor)

Der Faktor, der die externe Taktrate mit der internen Taktrate multipliziert (Interne Taktrate = FSB × Multiplikator).

3. Was ist Hyper-Threading-Technologie (HT)?

Hyper-Threading ist eine Technologie, die es ermöglicht, dass ein physischer Prozessorkern dem Betriebssystem als zwei logische Prozessoren erscheint. Dies wird erreicht, indem bestimmte Ressourcen (wie interne Register und Programmzähler) verdoppelt werden, während andere Ressourcen (wie der Cache und die Ausführungseinheiten) gemeinsam genutzt werden.

Beitrag zum Betrieb: HT beschleunigt die Verarbeitungsgeschwindigkeit, indem es die parallele Ausführung von zwei Threads pro Kern ermöglicht und somit die Auslastung der Ausführungseinheiten verbessert.

4. Interrupts, MIPS und MFLOPS

Was ist ein Interrupt?

(Anmerkung: Die Definition eines Interrupts fehlt in der ursprünglichen Antwort.)

Was bedeuten MIPS und MFLOPS?

• MIPS: Millions of Instructions Per Second (Millionen Instruktionen pro Sekunde).
• MFLOPS: Millions of Floating-Point Operations Per Second (Millionen Gleitkomma-Instruktionen pro Sekunde).

6. Real-Modus und Virtueller 8086-Modus

• Real-Modus: Der Prozessor verhält sich wie ein 8086-Prozessor und implementiert den Kompatibilitätsmodus mit einigen zusätzlichen Funktionen.
• Virtueller 8086-Modus: Ermöglicht 8086-Anwendungen, innerhalb einer sicheren 32-Bit-Umgebung (oder höher) zu laufen.

7. L1-Cache und L2-Cache: Unterschiede und Ort

L1-Cache

Der L1-Cache ist direkt in den Prozessorkern integriert. Er dient dazu, den Zugriff auf wichtige Daten zu beschleunigen. Die Größe variiert je nach Prozessor. Dieser Speicher ist in der Regel in zwei Teile unterteilt: einen für Instruktionen und einen für Daten.

L2-Cache

Der L2-Cache ist ebenfalls in den Prozessor integriert, liegt aber nicht direkt im Kern. Er bietet ähnliche Vorteile wie der L1-Cache, ist jedoch langsamer. Der L2-Cache ist in der Regel größer als der L1-Cache. Im Gegensatz zum L1-Cache ist der L2-Cache nicht geteilt (unified) und seine Nutzung ist stärker auf Systemprogramme ausgerichtet.

8. Was sind Segmentierung und Pipelining?

Pipelining ist eine Technik zur Implementierung der Befehlsausführung in einem Prozessor, bei der mehrere Instruktionen überlappend ausgeführt werden.

• Die Pipeline besteht aus mehreren Stufen (Segmenten), die miteinander verbunden sind.
• Jede Stufe wird in einem Taktzyklus ausgeführt.
• Der langsamste Schritt in der Pipeline bestimmt die Länge des gesamten Zyklus.
• Die Segmente (Instruktionen) werden gleichzeitig in verschiedenen Stufen bearbeitet.

(Anmerkung: Die Segmentierung ist primär ein Konzept der Speicherverwaltung.)

9. Intel Prozessor-Technologien

Intel Virtualization Technology (Intel VT)

Erleichtert die Nutzung von Virtualisierungssoftware.

Intel SpeedStep Technologie (EIST)

Ermöglicht die dynamische, softwaregesteuerte Veränderung der Taktfrequenz des Prozessors zur Energieeinsparung.

Fertigung 45 nm

Bezeichnet den Herstellungsprozess (45 Nanometer). Kleinere Strukturen ermöglichen eine höhere Transistordichte, höhere Leistung und bessere Energieeffizienz.

Intel Extreme Tuning Utility (IETU)

Software, die das Übertakten (Overclocking) von Speicher und Prozessor vereinfacht.