Wie funktioniert ein Prozessor? #3

Was für den Menschen das Gehirn ist, ist für den Computer der Hauptprozessor. Aufbauend auf das erste Video der Computerserie werden wir heute die zentrale Recheneinheit eines Computers behandeln und uns wieder im Specs-Check eine aktuelle CPU anschauen. Viel Spaß! Der Prozessor ist ein Mikrochip, der andere elektrische Schaltungen steuert und dabei einen Prozess vorantreibt oder abarbeitet. Wie so oft ist die grundlegende Funktion im Namen zu erkennen. Der Prozessor leitet sich nämlich aus dem lateinischen procedere ab, was vorangehen bedeutet. Er ist nicht nur im Computer vertreten, ganz im Gegenteil, 95% aller Prozessoren befinden sich in eingebetteten Systemen wie zum Beispiel Waschmaschinen, Flugzeugen, DVD-Playern und so gut wie jedem anderen elektronischen Gerät. Wir betrachten im folgenden aber speziell den Hauptprozessor bzw. die CPU, die Central Processing Unit, also die zentrale Recheneinheit eines Computers. Diese besteht in erster Linie aus einem Rechenwerk, einem Steuerwerk, dazugehörigen Registern, Caches und einem Speicherkontroller. Beginnen wir mit dem Steuerwerk oder Leitwerk. Diese Funktionseinheit steuert die Befehlsverarbeitung in einem Prozessor. Sie ist also dafür zuständig, Befehle bzw. Prozesse zu laden, gegebenenfalls zu dekodieren und zu interpretieren. Dafür ist speziell der Befehlsdecoder im Steuerwerk zuständig. Er übersetzt Maschinenbefehle, also Einsen und Nullen, in sogenannte Mikrobefehle, die dann vom Prozessor interpretiert werden können. Der Befehlsdecoder schaut dazu einfach in den Befehlssatz, in dem sich alle Befehle eines Mikroprozessors befinden. Ein weit verbreiteter Befehlssatz ist z.B. der x86-Befehlssatz, der aus 80 Instruktionen besteht. Einige Befehle wären z.B. ADD, um zwei Zahlen zu addieren, INT, um einen Prozess zu unterbrechen und MOV, um Dateien an einen anderen Speicherort zu bewegen. Im Steuerwerk befinden sich dann auch schon einige Register. Genauer gesagt befinden sich dort drei Stück von diesen kleinen, aber sehr schnellen Speichern. Das Befehlsregister enthält immer den aktuell auszuführenden Maschinenbefehl. Der Befehlszähler zeigt oft die Adresse des nächsten Befehls und das Statusregister oder Flagregister zeigt den Status der aktuellen Operation an. Damit werden dann z.B. Überläufe oder negative Ergebnisse bei Berechnungen angezeigt. Der nächste große Teil eines Prozessors macht das Rechenwerk aus. Dort werden die davor geladenen Befehle verarbeitet. Die ALU, die arithmetisch-logische Einheit, führt eben arithmetische und logische Operationen mit Hilfe von einigen Registern aus. Das vorliegende Schema zeigt die Funktionsweise der ALU. Das Datenregister enthält hier die zu verarbeitenden Daten. Der Akkumulator enthält auch Daten, die vorhin schon berechnet wurden und nun weiter verrechnet werden sollen. Die Funktion gibt an, wie berechnet werden soll, also ob Addition, Division oder irgendeine andere Berechnung oder logische Operation ausgeführt werden soll. Diese drei Informationen werden der ALU zugeführt, verrechnet und anschließend kommen dann zwei Informationen wieder heraus. Zum einen das Ergebnis der Berechnung und zum anderen die Statusausgabe, die in das Statusregister des Steuerwerks geschrieben wird. Ein weiterer Teil der CPU ist der Speicherkontroller. Er regelt den Datenfluss zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher. Da der Arbeitsspeicher aber ca. 1000 mal langsamer als die CPU ist, gibt es noch einen weiteren Speicher, der als Zwischenspeicher genutzt wird. Die Rede ist vom Cache. Dort werden schon verwendete Daten und Befehle gespeichert für den Fall der Wiederverwendung. Unterscheiden kann man drei verschiedene Cache-Typen. Der L1-Cache befindet sich direkt im Prozessorkern, ist nur 64 bis 128 KB groß, dafür aber sehr schnell. Der L2-Cache befindet sich nicht direkt im Kern, er ist etwas langsamer, aber auch größer, rund 256 KB bis 2 MB groß. Der L3-Cache ist der am weitesten entfernteste Cache-Speicher und deshalb auch am langsamsten. Jedoch bis zu 256 MB groß. Um jetzt die grundlegende Funktion eines Prozessors zu verstehen, schauen wir uns am besten einmal die Abarbeitung eines Befehls an. Der Befehlszeller im Steuerwerk enthält die Adresse, an dem sich der aktuelle Befehl befindet. Der Prozessor wartet nun, bis die Daten der jeweiligen Adresse geholt wurden. Die Wartezeit variiert stark, je nachdem, ob sich die Daten im Cache, Arbeitsspeicher oder der Festplatte befinden. Anschließend wird der Befehl im Steuerwerk dekodiert und der Befehlszeller des Steuerwerks bereits um 1 erhöht, um auf den nächsten Befehl zu zeigen. Die ALU aus dem Rechenwerk vernetzt sich nun mit den dekodierten Daten und führt die gewünschte Operation, wie z.B. die Addition 2 Registerinhalte aus. Das Ergebnis wird anschließend in den Cache geschrieben oder sofort für die nächste Operation weiterverwendet. Da der Befehlszeller bereits auf den nächsten Befehl zeigt, kann der Zyklus nun von vorne beginnen. Diesen Zyklus der Befehlsverarbeitung nennt man offiziell von-Neumann-Zyklus, der aus folgenden fünf Teilschritten besteht. FETCH – Der nächste Befehl wird in das Befehlsregister geschrieben. DECODE – Der Befehlszeller wird um 1 erhöht und der Maschinenbefehl wird in einen Mikrobefehl übersetzt. FETCH OPERANCE – Die Operanten, also die Werte, mit denen gerechnet werden soll, werden aus dem Arbeitsspeicher geholt. EXECUTE – Das Rechenwerk führt die Operation aus. Bei Bedarf wird der Befehlszeller des Steuerwerks nun nochmals verändert, falls man zu einer anderen Operation springen möchte. Zum Schluss WRITE BACK – In dem Schritt wird das Ergebnis in einen Datenregister und dem Cache geschrieben. Mit diesem Vorgang werden schließlich Befehle Stück für Stück nacheinander abgearbeitet. Es findet meist aber auch eine Prozesssynchronisation statt. Mit einem sogenannten Scheduler wird ständig zwischen verschiedenen Prozessen hin und her geswitcht, was nach außen hin den Anschein macht, die Prozesse würden parallel abgearbeitet werden. In Wirklichkeit ist das aber nicht der Fall, trotzdem lässt sich somit eine Leistungssteigerung erzielen. Mittlerweile gibt es aber auch eine tatsächliche parallele Abarbeitung, weil sich in einem Prozessor meist mehrere Prozessorkerne befinden und damit auch mehrere Steuer- und Rechenwerke. Am besten schauen wir uns das jetzt aber mal an einem Beispielgerät an und somit kommen wir zum Specs-Check. Hier seht ihr den Intel Core i7 4770K Prozessor mit einer Taktrate von 3,5 GHz und 4 Kernen. Jeder Kern schafft es also, 3,5 Milliarden Arbeitsschritte in der Sekunde zu machen. Unter dem silbernen Kühlkörper befindet sich der eigentliche Prozessorchip, der mit nur 177 Quadratmillimetern Fläche unglaubliche 1,4 Milliarden Transistoren besitzt. Auf dem Chip sind nun einige Bereiche zu erkennen. In der Mitte befinden sich die besagten 4 Prozessorkerne, in denen sich Steuerwerke und Rechenwerke und auch der L1 Cache befindet. Darunter sitzt der L3 Cache, den sich die Kerne teilen. Darunter wiederum der Speicherkontroller, der die Kommunikation zwischen CPU und Arbeitsspeicher regelt. Im rechten Bereich, dem System Agent, befinden sich zusätzlich auch noch einige Einheiten für die Ein- und Ausgabe. Auch eine Power Control Unit ist dort enthalten, die Versorgungsspannungen und Temperaturen überwacht. Sogar kleine Spannungswandler befinden sich in dieser CPU, da die einzelnen Teilbereiche verschiedene Spannungen benötigen. Der System Agent ist außerdem für die Displayausgabe zuständig. Was auf den ersten Blick vielleicht etwas seltsam wirkt, wird heute immer mehr zum Standard. Eine Grafikeinheit ist nämlich links im Prozessor platziert. Diese HD Graphics 4600 Einheit ermöglicht es, ohne externe Grafikkarte den Computer zu benutzen, was für den Desktopbereich sicherlich noch reicht, fürs Gaming aber leider viel zu schwach ist. Für diesen Zweck sollte man sich dann schon eine externe Grafikkarte besorgen. Auf der Verpackung des 4770K erfährt man alle wichtigen Features dieses Prozessors. Die erste Zeile besagt, dass sich 4 Kerne im Prozessor befinden, die sich wie 8 verhalten. Warum? Dazu kommen wir gleich. Eine Turbo Boost Technologie 2.0 ist auch vorhanden, die bewirkt einfach gesagt eine automatische Übertaktung der Kerne bei Bedarf. Die Hyper Threading Technologie ist nun der Grund, warum die 4 Kerne sich wie 8 verhalten. Sie ermöglicht es nämlich, dass ein Prozess sich aus zwei Unterprozessen, sogenannten Threads, zusammensetzt. Damit können dann sozusagen doppelt so viele Prozesse parallel abgearbeitet werden. Der Prozessor verhält sich also, als würde er aus doppelt so vielem Prozessorkern bestehen. Hier sind es dann also 4 physikalische und 4 virtuelle Kerne. Smart Cache Technologie bedeutet einfach nur, dass die Kerne sich einen L3 Cache teilen. In der nächsten Zeile steht ja noch, dass ein Speicherkontroller integriert ist. Früher war der nämlich auf einem eigenen Co-Prozessor, heute ist das aber nichts Ungewöhnliches mehr. Dual Channel DDR3 Arbeitsspeicher wird unterstützt, auch nichts Besonderes. Darauf gibt es dann noch 3 Jahre Garantie und ganz am Ende steht da noch, dass eine HD Graphics 4600 Einheit vorhanden ist. Der Intel i7 4770K Prozessor ist momentan einer der Prozessoren mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis. Wenn ihr nähere Informationen zu ihm wollt, schaut in die Videobeschreibung. Die waren nämlich so nett und haben mir diesen Prozessor gesponsert. Bei ihnen findet man aber nicht nur den Prozessor, sondern auch alle anderen Komponenten für einen Computer, die es so auf dem Markt gibt. Und das zu einem unschlagbaren Preis. Danke, dass ihr euch dieses Video mal wieder angeschaut habt. Für mich war es dieses Mal besonders schwer zu entscheiden, wie tief ich in das Thema eintauche. Schließlich habe ich mich dazu entschlossen, es möglichst einfach zu halten und Logikbeispiele wegzulassen, weil das erste Video anscheinend schon viel an ihre Grenzen gebracht hat. Lasst mir doch mal bitte Feedback da, wie ihr es dieses Mal fandet, am besten mit einem Daumen und einem Kommentar. Wie immer gelangt ihr dann links oben zum letzten Video über das Mainboard, rechts oben zur Playlist mit allen Computer-Videos und rechts unten erfahrt ihr heute, wie man eine Atombombe baut. Wir sehen uns dann in ca. zwei Wochen wieder. Bis dahin!