Grundlagen der Mikroprozessoren und ihrer Architektur

Mikroprozessoren: Eine Einführung

Ein Mikroprozessor ist eine Komponente, die alle Funktionen der Central Processing Unit (CPU) auf einem einzigen integrierten Schaltkreis (IC) integriert.

Technologische Eigenschaften von Mikroprozessoren

• Befehlssatz: Die Menge der Anweisungen, die der Prozessor ausführen kann.
• Wortgröße: Die Anzahl der Bits, die der Mikroprozessor in einer Operation verarbeiten kann (z.B. 32-Bit, 64-Bit).
• Taktrate: Die maximale Geschwindigkeit, mit der der Prozessor arbeiten kann (gemessen in MHz oder GHz).
• Befehlspipeline: Die Methode, wie Befehle schrittweise verarbeitet werden, ähnlich einer Fließbandmontage, wobei jeder Schritt einen Teil der Ausführung darstellt.
• Befehlsarchitektur: Die Struktur und Organisation der Befehle.
• Datenpfad- oder Busbreite: Die Breite des Datenbusses, der die Datenübertragung ermöglicht.

Definition einer Prozessor-Architektur

Die Definition einer Prozessor-Architektur umfasst folgende Begriffe:

• Befehlsmodi: Die Art und Weise, wie Befehle ausgeführt werden.
• Organisation der funktionalen Einheiten: Die Anordnung und Interaktion der elektronischen Komponenten innerhalb des Prozessors.

Prozessor-Architekturen: CISC vs. RISC

CISC (Complex Instruction Set Computer)

CISC-Prozessoren zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• Der Befehlssatz ist in der Regel sehr groß.
• Sie verwenden ein variables Befehlsformat, d.h., Befehle können unterschiedlich lang sein und eine unterschiedliche Anzahl von Feldern aufweisen.
• Die Steuereinheit ist meist mikroprogrammiert und enthält eine große Anzahl von Anweisungen.
• Die elektronische Gestaltung ist komplex, was es erschwert, die Betriebsfrequenz zu erhöhen.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

RISC-Prozessoren basieren auf einem reduzierten Befehlssatz und einfacherer Elektronik:

• Einfacher zu implementieren, um die Betriebsfrequenz zu erhöhen.
• Der Mangel an Funktionalität wird durch Compiler gelöst, indem komplexe Operationen in eine Reihe einfacher RISC-Befehle zerlegt werden.
• Einfache Befehlssätze sind leichter zu verarbeiten und ermöglichen eine effizientere Pipelining, im Gegensatz zu den komplexen Einzelbefehlen in CISC-Architekturen.

Wichtige Maßeinheiten und Komponenten

Unterschiedliche Maßeinheiten für Prozessorleistung

• MHz/GHz: Entspricht der Anzahl der Prozessorzyklen, die pro Sekunde ausgeführt werden.
• MIPS (Million Instructions Per Second): Millionen Instruktionen pro Sekunde.
• FLOPs (Floating Point Operations Per Second): Gleitkomma-Operationen pro Sekunde.

Externer Bus (FSB) und Multiplikationsfaktor

• FSB-Geschwindigkeit (Front Side Bus): Die Geschwindigkeit, mit der die CPU mit dem Mainboard kommuniziert. Die Datenbus-Geschwindigkeit liegt in der Regel zwischen 100 MHz und 1600 MHz.
• Multiplikationsfaktor: Die Zahl, mit der die externe Busgeschwindigkeit multipliziert wird, um die interne Taktfrequenz des Prozessors zu erhalten. Die Multiplikator-Einstellung muss vom Mainboard unterstützt werden.

Cache-Speicher

Prozessoren verfügen über einen Cache-Speicher, der schnellen SRAM (Static Random Access Memory) verwendet. Dieser sehr schnelle Speicher beschleunigt die Übertragung von Befehlen und Daten zwischen CPU und RAM.

Daten und Befehle, die die CPU voraussichtlich bald benötigt, werden im Cache vorgehalten. Bevor die CPU Daten oder Befehle vom RAM anfordert, werden diese in den Cache übertragen. Geänderte Daten im Cache werden bei Bedarf zurück in den RAM geschrieben.

Wenn die CPU Daten oder Befehle benötigt, sucht sie zuerst im Cache, dann im RAM und schließlich auf der Festplatte (falls zutreffend).

Arten von Cache-Speicher

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Cache-Speicher:

• Cache Level 1 (L1):
  • Sehr schneller Zugriff.
  • Direkt im Prozessorkern integriert.
  • Beseitigt Verzögerungen, die durch die Kommunikation mit externen Speichern entstehen.
  • Seine Größe ist sehr begrenzt.
  • In der Regel schneller als der Level-2-Cache.
  • Oft in separate Caches für Daten und Befehle unterteilt (L1d und L1i).
• Cache Level 2 (L2):
  • Größer und langsamer als L1, aber immer noch schneller als der Hauptspeicher (RAM).
  • Kann sich auf dem Prozessor-Die oder in dessen Nähe befinden.

Leistungsaufnahme und Spannungen

• Spannung (externe I/O): Ermöglicht dem Prozessor die Kommunikation mit dem Motherboard.
• Interne Kernspannung: Geringer als die I/O-Spannung. Ermöglicht dem Prozessor, mit einer niedrigeren Temperatur zu arbeiten.

Gehäuseformen (Encapsulation)

Gängige Gehäuseformen für Prozessoren sind:

• DIP (Dual In-line Package)
• PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
• PGA (Pin Grid Array)
• LGA (Land Grid Array)
• SEC (Single Edge Contact Cartridge)