Stichpunkte

Allgemein
	im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor
	ist der Teil eines Computers
	in einigen Kontexten auch als Zentraleinheit (ZE) bezeichnet
	englisch Central Processing Unit oder kurz CPU
	zu erkennen der CPU-Kern (die) Der Hauptprozessor
	Bild nicht gefunden Eine geöffnete AMD 486 DX2 66-MHz-CPU
	der alle anderen Bestandteile steuert
	Das Verhalten der CPU wird dabei von einem Programm in Form von Maschinencode bestimmt
	sowie das ausführen von Sprüngen im Programm
	Zu den zentralen Aufgaben der CPU gehören arithmetische Operationen
	das Lesen und Schreiben von Daten im Arbeitsspeicher
	der alle Bausteine der CPU auf einem Mikrochip vereinigt. Inhaltsverzeichnis showTocToggle("Anzeigen"
	Die moderne Form der CPU ist der Mikroprozessor
	"Verbergen") 1 Allgemeines 2 Entwicklung 3 Variationen 4 Design und Fertigung aktueller CPUs 5 Anwendungsbereich 6 Sonstiges 7 Siehe auch 8 Weblinks [Bearbeiten]
Allgemeines
	CPUs sind der zentrale Bestandteil eines jeden Computers
	Die Verarbeitung von Daten
	die Ausführung von Programmen
	geschieht in der CPU
	Dazu verfügt eine CPU über einen Programmzähler
	von der gerade Maschinencode gelesen wird
	der auf die Speicherstelle zeigt
	Der gelesene Maschinencode wird vom Befehlsdecoder gegebenenfalls in einzelne Arbeitsschritte zerlegt und an die weiteren Einheiten der CPU verteilt
	also Einheit für arithmetische und logische Funktionen) ausgeführt
	Rechenoperationen und logische Verknüpfungen werden von der ALU (Arithmetic Logic Unit
	ebenso wie Informationen über das letzte Rechenergebnis (z. B. ob das Ergebnis Null war)
	Zwischenergebnisse werden in Registern gespeichert
	Die Branch-Unit (Sprungeinheit) kann auf die Informationen des Rechenergebnisses (auch Flags genannt) zugreifen und Programmverzweigungen auslösen
	also das Programm an einer anderen Speicherstelle fortsetzen lassen. [Bearbeiten]
Entwicklung
	In den 1940er Jahren bestand das Rechenwerk eines Computers zunächst aus Relais und mechanischen Bauelementen
	die langsam und äußerst störanfällig waren
	Die ersten Computer waren also elektromechanische Rechner
	Computer mit Hilfe von Röhren zu bauen
	Noch in den 40ern begann man damit
	Die Rechner wurden schneller und störunanfälliger
	so reifte die Technik im Laufe der 50er Jahren immer mehr aus
	aus Steuergeldern finanzierte Einzelprojekte
	Waren diese Rechner anfangs teure
	Röhrenrechner wurden nach und nach zu Massenartikeln
	die für Universitäten
	Forschungseinrichtungen und Firmen durchaus erschwinglich waren
	war es unabdingbar
	die Anzahl der benötigten Röhren auf ein Mindestmaß zu reduzieren
	Um dieses Ziel zu erreichen
	Aus diesen Grund setzte man Röhren nur dort ein
	wo sie unabdingbar waren
	So begann man damit
	Hauptspeicher und CPU-Register auf einer Magnettrommel unterzubringen
	Rechenoperationen seriell auszuführen und die Ablaufsteuerung mit Hilfe einer Diodenmatrix zu realisieren
	Ein typischer Vertreter dieser Rechnergeneration war der LGP-30 (http://www.informatik.uni-stuttgart.de/ifi/cs/dev/lgp30/LGP-30.html)
	In den frühen 60ern wurden die Röhren dann von den Transistoren verdrängt
	Anfangs wurden die CPUs aus einzelnen Transistoren aufgebaut
	Im Laufe der Jahre brachte man aber immer mehr Transistorfunktionen auf ICs unter
	schließlich dann sogar Registerbänke und Rechenwerke auf einem Chip
	integrierte man immer häufiger auch ganze Register und Funktionseinheiten wie Addierer und Zähler
	Waren es zunächst nur einzelne Gatter
	führte dann fast zwangsläufig zu dem
	Diese zunehmende Integration von immer mehr Transistor- und Gatterfunktionen auf einem Chip
	was heute als Mikroprozessor bekannt ist
	Als Erfinder des Mikroprozessors gilt die Firma Texas Instruments
	die sich diese Idee auch patentieren ließ
	Im Jahr 1971 stellte Intel mit dem 4004 die erste CPU auf einem Chip vor
	Der Mikroprozessor war geboren
	war der 4004 aber nicht gerade besonders leistungsfähig
	Mit nur 4 Bit breiten Registern und einer Taktfrequenz von knapp über 100 kHz
	Seine im Vergleich mit den klassischen CPUs äußerst kompakte Bauform verhalf dem Mikroprozessor aber schließlich trotzdem zum Durchbruch
	Ursprünglich war der 4004 eine Auftragsentwicklung für den japanischen Tischrechnerhersteller Busicom
	Intels Projektleiter Ted Hoff hatte die Idee
	das Herz dieses Tischrechners in Form eines programmierbaren Bausteins zu realisieren
	war eigentlich nicht beabsichtigt
	Dass dabei die erste universell einsetzbare Einchip-CPU der Welt herauskam
	woraufhin Intel mit der Vermarktung des 4004 begann
	Da Busicom damals in finanziellen Schwierigkeiten steckte
	bot man Intel den Rückkauf des 4004-Designs an
	Der 4004 wurde zum ersten kommerziellen Microprozessor der Welt. [Bearbeiten]
Variationen
	Im Laufe von immer höheren Integrationsdichten der Halbleiterbausteine haben die Entwickler von CPUs weitere Funktionen in der Hardware realisiert
	insbesondere bekamen die meisten CPUs weitere Befehle implementiert
	um umfangreiche Berechnungen (z. B
	Dadurch wurden die CPUs immer leistungsfähiger
	Audio- und Videobearbeitung) zu vereinfachen
	Auf der anderen Seite haben ältere CPUs und Mikrocontroller häufig nur wenige Register und einen eingeschränkten Befehlssatz (die komplexesten Operationen sind zum Teil Addition und Subtraktion)
	Für einfache Anwendungen (z. B
	da sich alle anderen Funktionen allein durch die Addition und Subtraktion implementieren lassen (z. B
	Steuerung einer einfachen Maschine) reicht diese Komplexität jedoch aus
	Multiplikation durch mehrmaliges Addieren). [Bearbeiten]
Design und Fertigung aktueller CPUs
	übereinander liegenden Schichten von dotiertem Silizium
	welches Millionen von Transistoren bildet
	deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen
	Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren
	CPUs werden auf Grund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst
	geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen müssen
	Beispielsweise müssen Spezialversionen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei Stand halten
	während Mobilprozessoren eine hohe IPC-Rate
	Diesen Bedürfnissen wird auf verschiedene Arten und Weisen Rechnung getragen: So wird bereits mit der Auswahl des Befehlssatzes (CISC oder RISC) eine fundamentale Entwurfsentscheidung getroffen
	deren Implikationen in den jeweiligen Spezialartikeln näher erläutert werden
	Speicherbandbreite und -latenzen sowie die internen Funktionseinheiten angepasst werden sollte
	welcher optimal an Randbedingungen wie Cachegrößen
	Anschließend wird ein möglichst effizienter Mikrocode entwickelt
	welcher die Leiterbahnen routet
	Anschließend wird der logische Entwurf des Prozessors (er liegt in einer C-ähnlichen Programmiersprache vor) an einen Hochleistungscomputer übergeben
	d. h. eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren sowie minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht
	Da diese Routingprobleme NP-vollständig sind
	die sich im Detail noch erheblich verbessern lassen. Aus diesen Bahnberechnungen werden sehr teure Masken erstellt
	sind nur Näherungsberechnungen möglich
	die anschließend geätzt werden
	die unter Anwendung kurzwelligem UV-Lichts (heute 193 nm; bald: 157 nm; Zukunft EUV?) zur Belichtung von Wafern eingesetzt werden
	Die Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über 100 Einzelschritte
	in deren Verlauf bereits ein Fehler den gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann
	wobei anhand eines für jeden Prozessortyp individuell entwickelten Testprogramms physikalische Eigenschaften wie Signalpegel bei verschiedenen Takten überprüft werden
	In der Endkontrolle werden die Prozessoren schließlich hinsichtlich ihrer Taktfestigkeit klassifiziert
	Hierbei wird besonders auf laufzeitkritische Signalwege auf dem CPU-Die geachtet
	Wenn ein Signal über einen bestimmten Signalweg nicht schnell genug läuft
	sprich man von einem Speed Path
	um die logischen Anforderungen des CPU-Designs zu erfüllen
	dass das Signal bei weiterer Steigerung der Taktfrequenz nicht mehr rechtzeitig dort ankommen würde
	wo es gebraucht wird
	Vereinfacht gesagt heißt das
	wie auch eine CPU einer ist
	Solche Speed Paths begrenzen die Taktfrequenz alle komplexen Logikbausteine
	was die übertragenen Daten korrumpieren und beispielsweise beim Entpacken von JPEG-Bildern zu Datenmüll führen konnte [Details (http://www.gordonfamily.com/AMD/)]
	kann das fatale Folgen haben: So zeigten verschiedene Revisionen des K6 aufgrund von Streuungen in der Fertigungsqualität einen durch einen übersehenen Speed Path verursachten Fehler in der MMX-Einheit
	Bleibt ein solcher Speed Path unentdeckt
	Auch die Firma Intel hatte schon ähnliche Probleme
	So musste im Jahr 2001 der grade erst vorgestellte Pentium III mit der Taktfrequenz von 1.13 GHz zurückgerufen werden
	weil Intel einen Speed Path übersehen hatte
	Allgemein lässt sich feststellen
	dass der Validierungsaufwand moderner Prozessoren bereits gewaltige Ausmaße angenommen hat und trotz aller Anstrengungen nicht alle Fehlersituationen vor der Auslieferung überprüft werden
	Daher liefern alle Hersteller so genannte Errata-Listen
	in denen Fehler aufgelistet werden
	welcher auf eine kleine Auslassung beim Füllen einer im Prozessor hartverdrahteten Matrix für die FPU zurückzuführen ist
	So musste beispielsweise Intel den berühmten FDIV-Bug in frühen Pentium-CPUs eingestehen
	wobei die gängigsten Betriebssysteme für den Anwender nur maximal 64
	meist aber nur 32 Bit unterstützen
	Im Laufe der Zeit vergrößerte sich auf Grund der immer besser werdenden Technik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Heute finden sich überwiegend 32- bis 64-Bit-Prozessoren
	waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie. Mit UNIX stand schon in den 70er Jahren ein 32-Bit-fähiges Betriebssystem zur Verfügung
	Daran lässt sich schon erkennen
	dass die Software im Falle der Prozessoren der Hardware hinterherhinkt. Die 386er
	die in den 80er Jahren entwickelt wurden
	Der Hard- und Softwarehersteller Apple hatte 1984 mit dem System des Macintosh ein echtes 32-Bit-Betriebssystem eingeführt
	Commodore und Atari folgten 1985 mit ihren Betriebssystemen AmigaOS und TOS; allerdings lief jedes der Systeme nur auf den vom jeweiligen Hersteller gebauten
	auf Motorola-CPUs basierenden PCs
	Die Firma Microsoft brachte erst 1993 mit Windows NT 3.1 ein 32-Bit-Betriebssystem auf den Markt
	Das freie
	auf der GNU basierende Linux war schon seit Anfang seiner Entwicklung im Jahr 1991 ein 32-Bit-Betriebssystem
	Linux wurde zuerst auf 386er Prozessoren entwickelt und dann auf andere Prozessoren (32 und auch 64 Bit) portiert. [Bearbeiten]
Anwendungsbereich
	wobei für eine genauere Diskussion dieser Thematik der entsprechende Artikel empfohlen wird
	Im Bereich der Personalcomputer ist die historisch gewachsene x86-Architektur weit verbreitet
	Uhren
	Druckern sowie einer Vielzahl elektronisch gesteuerter Geräte. [Bearbeiten]
	Interessanter und weniger bekannt ist der Einsatz von Embedded-Prozessoren und Microcontrollern beispielsweise in Motorsteuergeräten
Sonstiges
	die für die Anwendung in einem bestimmen Bereich konstruiert werden. CISC-Prozessoren (englisch Complex Instruction Set Computing = kompletter Befehlssatz): Allgemein gehaltene Prozessoren
	Man unterscheidet grundsätzlich verschiedene CPU-Architekturen: RISC-Prozessoren (englisch Reduced Instruction Set Computing = reduzierter Befehlssatz): Spezialprozessoren
	die für jeden Anwendungsbereich geeignet sind. Mit folgenden Buskonzepten: Von-Neumann-Architektur: Ein Bus für Daten UND Programmcode (z. B
	CISC-Prozessoren). Harvard-Architektur: Ein oder mehrere getrennte Busse für Daten und Programmcode
	Teilweise mit mehreren ALUs zur parallelen Verarbeitung großer Datenmengen (z. B
	Digitale Signalprozessoren). [Bearbeiten]
Siehe auch
	Computer Mikroprozessor Mikrocontroller Mikroprogrammierung Notebookprozessor Hyperthreading Ring (CPU) Kategorie CPU-Hersteller [Bearbeiten]
Weblinks
	CPU Grundlagen (http://www.itse-guide.de/artikel/12) CPU Ãœberblick und Grundlagen (http://www.stickybit.de/wissen/computer/grundlagen/cpu/) cpu-collection.de - umfangreiche Sammlung von CPUs mit detailierten Bildern und Beschreibungen (http://www.cpu-collection.de/) cs:Procesor da:Central Processing Unit en:Central processing unit es:CPU fi:Suoritin fr:Processeur he:מעבד hr:Procesor hu:CPU it:CPU ja:CPU ko:중앙처리장치 la:Processor centralis ms:Unit Pemproses Pusat nl:Processor no:CPU pl:Jednostka centralna (procesor) pt:CPU sk:Základná jednotka sv:CPU th:หน่วยประมวลผลà¸?ลาง uk:Центральний процеÑ?ор zh:中央处ç?†å™¨

[X] Schliessen

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