Mikroprozessor: Aufbau und Funktionsweise

Mikroprozessor: Aufbau und Funktion

Mikroprozessor ist die wichtigste Einheit eines Computers, die Programme oder Anweisungen ausführt. Die wichtigste Funktion besteht darin, Speicher zu adressieren und Anweisungen auszuführen. Die Geschwindigkeit des Mikroprozessors wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

• Taktfrequenz: Sie ist zuständig für die Synchronisation; die Taktfrequenz wird in MHz gemessen. Ein MHz sind eine Million Zyklen pro Sekunde.
• Busbreite: Die Menge an Daten, die die CPU in einem Taktzyklus zwischen Hauptspeicher, Chipsatz und Ein- und Ausgabegeräten übertragen kann.
• Wortgröße: Ein Wort ist die Datenmenge, die die CPU in einem Taktzyklus verarbeiten kann.

Teile des Mikroprozessors

Wesentliche Teile des Mikroprozessors sind:

• Gehäuse (Package): Schützt den Prozessor und ermöglicht Verbindungen zu externen Anschlüssen.
• Arithmetic Logic Unit (ALU): Führt arithmetische und logische Operationen durch.
• Control Unit: Der wichtigste Teil; basierend auf den Anweisungen der Dekodiereinheit erzeugt sie Signale für Register und steuert die ALU.
• Prefetch-Unit (Vorabruf-Einheit): Verantwortlich für die Entscheidung, wann der Cache Daten aus dem Hauptspeicher anfordert.
• Dekodiereinheit: Übersetzt den Maschinencode in Steuer- und Ausführungsbefehle für ALU und Register.
• Register: Kleine, schnell zugängliche Speicherbereiche mit geringer Kapazität.
• Cache-Speicher: Kleiner, aber sehr schneller Speicherbereich, der für die Zwischenspeicherung von häufig benötigten Daten zuständig ist.
• Mathematischer Coprozessor: Verantwortlich für die Beschleunigung von mathematischen Operationen.

RAM und Arbeitsweise

RAM wird benutzt, um Aufgaben, Anweisungen und Daten vorübergehend zu speichern, die zur Ausführung notwendig sind. Die Arbeitsweise basiert darauf, dass der Prozessor bei Bedarf Informationen aus dem Speicher anfordert: Er sendet eine Anfrage an einen Chip, der den Zugriff auf den RAM steuert. Dieser Chip ist verantwortlich für den Informationsfluss zwischen Speicher und Prozessor.

Cache-Speicher

Cache-Speicher: Der Cache ist ein vergleichsweise kleiner High-Speed-Speicher, der in der Nähe der CPU untergebracht ist und oft die Daten und Anweisungen bereitstellt, die am häufigsten benötigt werden. Es gibt mehrere Ebenen:

• Level 1 (L1): Die schnellste und in der Regel teuerste Ebene des Caches.
• Level 2 (L2): Größer, etwas langsamer; L2 kann extern oder auf dem Prozessorchip integriert sein und befindet sich häufig zwischen Mikroprozessor und Hauptspeicher.

Motherboard (Hauptplatine)

Motherboard (auch Mainboard genannt) ist ein wesentlicher Bestandteil des Computers. Auf ihm ist der Mikroprozessor montiert, und es verbindet die verschiedenen Komponenten wie RAM-Steckplätze (Slots) und verschiedene Steuerchips, etwa BIOS, Chipsatz, Schnittstellenchips etc.

BIOS-Chip

BIOS-Chip: Ein Baustein auf dem Motherboard, dessen Funktion darin besteht, grundlegende Verwaltungs- und Konfigurationsaufgaben der Geräte beim Einschalten des Computers durchzuführen. Dieses Gerät ist verantwortlich für grundlegende Management-Funktionen und Systemeinstellungen.

Chipsatz

Chipsatz: Verantwortlich dafür, wie der RAM mit dem Mikroprozessor, dem Cache-Speicher und den Ein-/Ausgabe-Ports (z. B. ISA, PCI, AGP, USB ...) interagiert. Der Chipsatz besteht typischerweise aus zwei Teilen:

• Northbridge: Dient als Bindeglied zwischen Mikroprozessor und Hauptspeicher.
• Southbridge: Verantwortlich für die Kommunikation des Prozessors mit der übrigen Peripherie.

Busse

Busse sind elektrische Verbindungen, meist Leiterbahnen, die Informationen von einem Gerät zum anderen im Computer übertragen. Man unterscheidet verschiedene Arten von Bussen:

• Datenbus: Verantwortlich für den Transport von Daten zwischen Geräten im System; er ist bidirektional.
• Adressbus: Der Prozessor nutzt diesen Bus, um eine Speicheradresse anzugeben, auf die er zugreifen möchte, oder um ein Gerät auszuwählen, mit dem er arbeiten will.
• Steuerbus: Zuständig für den Transport von Steuersignalen, die den Status bestimmter Geräte im System melden.

Es gibt mehrere Typen von Busarchitekturen, z. B. FSB, ISA, PCI, AGP und PCI Express.