Grundlagen der Mikroprozessoren: Architektur und Technik

Einführung in Mikroprozessoren

Mikroprozessoren: Eine Komponente, die alle Funktionen der CPU auf einem einzigen integrierten Schaltkreis vereint.

Technologische Eigenschaften

• Befehlssatz: Die Fähigkeit, einen Satz von Anweisungen auszuführen.
• Wortbreite: Die Anzahl der Bits (Word Size).
• Taktrate: Die Geschwindigkeit, mit der sie arbeiten können.
• Pipelining: Die Verarbeitung von Anweisungen wie an einem Fließband.
• Struktur der Befehlsausführung: Die Art und Weise des Unterrichts/der Befehlsabfolge.
• Datenpfad: Die Bus-Breite des Systems.

Definition der Prozessorarchitektur

Die Architektur eines Prozessors umfasst folgende Konzepte:

• Befehlssatz (Spielanleitung) und Adressierungsarten.
• Organisation der Funktionseinheiten.
• Technologie der elektronischen Komponenten.

CISC- und RISC-Prozessoren

CISC (Complex Instruction Set Computer)

Der Befehlssatz ist umfangreich. Diese Prozessoren verfügen über ein variables Befehlsformat für Erklärungen. Die Anleitungen haben eine unterschiedliche Anzahl von Feldern (fields). Die Steuerung erfolgt über Mikroprogrammierung. Aufgrund der großen Anzahl an Befehlen ist das elektronische Design komplexer.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

RISC-Prozessoren nutzen einen kleineren Befehlssatz. Die Elektronik ist einfacher aufgebaut, was es erleichtert, die Betriebsfrequenz zu erhöhen. Ein Mangel an Funktionalität in der Hardware sollte durch Compiler gelöst werden. Einfache Befehlssätze können andere, komplexere ersetzen (wie sie vielleicht im UN-Kaufrecht existieren).

Maßeinheiten und Geschwindigkeit

Leistungskennzahlen

• MHz/GHz: Entspricht der Anzahl der Prozessorzyklen pro Sekunde.
• MIPS: Millionen Instruktionen pro Sekunde (Million Instructions Per Second).
• FLOPS: Gleitkommaoperationen pro Sekunde (Floating Point Operations).

Bus-Geschwindigkeit (FSB) und Multiplikator

Die Bus-Geschwindigkeit oder externe Geschwindigkeit (FSB) ist die Rate, mit der die CPU mit dem Mainboard kommuniziert. Es gilt: CPU-Speed = Datenbus-Geschwindigkeit. In der Regel liegt diese zwischen 100 MHz und 1600 MHz.

Der Multiplikator ist die Zahl, die mit der externen Geschwindigkeit multipliziert die interne Geschwindigkeit ergibt. Das Mainboard muss diesen Multiplikator unterstützen.

Cache-Speicher (SRAM)

Mikroprozessoren verfügen über einen Speicher namens Cache vom Typ SRAM. Dies ist ein sehr schneller Speicher, der die Übertragung von Daten und Anweisungen zwischen der CPU und dem RAM beschleunigt.

• Daten und Anweisungen, die bald von der CPU benötigt werden, werden im Cache vorgehalten.
• Bevor die CPU Daten anfordert, werden diese aus dem RAM in den Cache (Catxè) übertragen.
• Geänderte Daten werden anschließend in den RAM zurückgegeben.
• Bei der Datensuche wird zuerst im Cache gesucht, dann im RAM und schließlich auf der Festplatte.

Cache-Ebenen: Level 1 und Level 2

Es gibt zwei Arten von Cache: Level 1 (L1) und Level 2 (L2). Der Level-1-Cache ist schneller als der Level-2-Cache. Die erste Ebene befindet sich direkt im Prozessorkern. Die Größe des Level-1-Caches ist jedoch sehr begrenzt.