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2.3.1 Prozessoren
Das
”
Herz“ eines Computers bildet der Prozessor (Zentraleinheit, Central
Processing Unit, CPU), der die Ausf¨
uhrung von Befehlen zur Aufgabe hat.
Dies geschieht in einem bestimmten Takt. Die Taktfrequenz heute ¨
ublicher
Prozessoren liegt im GHz-Bereich, wobei f¨
ur die Ausf¨
uhrung von Instruktio-
nen in der Regel mehrere Takte ben¨
otigt werden. Eine einfache, nur einge-
schr¨
ankt aussagekr¨
aftige Leistungskennzahl von Prozessoren ist MIPS (Mil-
lion Instructions Per Second); so bes¨
aße ein Prozessor mit einem Takt von 1
GHz und einer durchschnittlichben¨
otigten Taktanzahl von zehn pro Instruk-
tion die theoretische Kennzahl 100 MIPS.
16
Die Leistungsf¨
ahigkeit von Prozessoren bzw. Rechnersystemen wird in der
Praxis u. a. durch die Zeit zur Ausf¨
uhrung bestimmter Programme beurteilt
(Benchmarks), da die Ausf¨
uhrungszeit verschiedener Instruktionen situati-
onsabh¨
angig ist. So ist z. B. die Ausf¨
uhrung einer Addition zweier Zahlen
davon abh¨
angig, ob diese Werte bereits in entsprechenden prozessorinternen
Registern vorhanden sind (z. B. als Resultate vorhergehender Instruktionen)
oder ob sie erst aus dem Hauptspeicher (einem CPU-externen aber rechner-
internen Speicher zum schnellen Zugriff auf dort repr¨
asentierte Programme
bzw. Daten) geholt werden m¨
ussen. In der Regel kommuniziert ein Prozessor
mit den anderen Komponenten eines Rechners ¨
uber einen niedrigeren Takt
als dem eigentlichen CPU-Takt. Diese Kommunikation findet ¨
uber einen oder
mehrere so genannte
”
Busse“ statt. Beispielsweise kommuniziert in einem
heutigen
”
Standard-PC“ (Personal Computer ) eine CPU mit einem Takt
von z. B. 3,2 GHz ¨
uber den
”
PCI-Bus“ (Peripheral Component Interconnect )
z. B. mit einer erheblich niedrigeren Taktfrequenz (ca. 800 MHz) mit Erweite-
rungskarten (Hardwarekomponenten, die ¨
uber definierte Schnittstellen einen
Rechner erg¨
anzen).
Ein Prozessor besteht haupts¨
achlich aus einem Steuerwerk und einem
Rechenwerk.
17
Das Steuerwerk regelt die Verarbeitung im Prozessor, im We-
sentlichen durch das Einlesen der jeweils n¨
achsten auszuf¨
uhrenden Instrukti-
on (Operation, Befehl), w¨
ahrend das eigentliche Ausf¨
uhren von elementaren
Berechnungen durch das Rechenwerk geschieht. Der grundlegende Ablaufzyk-
16
Man beachte, dass sich in der Vergangenheit die Rechenleistung entsprechend
Moore’s Gesetz erh¨
oht hat: Die Rechenleistung handels¨
ublicher Rechner verdop-
pelt sich alle 18 Monate. Inwiefern dieses
”
Gesetz“ auch in der Zukunft seine
G¨
ultigkeit hat, kann nicht sicher beurteilt werden, da die stetige Steigerung der
Taktfrequenz immer h¨
ohere technische Anforderungen an die Hardware stellt.
17
Wir werden hier nicht auf die technische Realisierung ¨
uber Schaltnetze, Tran-
sistoren u. ¨
A. eingehen. Heutige Rechnerkomponenten sind durch eine sehr ho-
he Integration entsprechender Basisbausteine gekennzeichnet (VLSI-Chips, Very
Large Scale Integration). Ein Chip (z. B. Logikchip, Speicherchip) ist ein Bauteil,
auf dem sehr viele Funktionselemente (Gr¨
oßenordnung: Millionen) auf relativ
kleiner Fl¨
ache untergebracht sind. Dabei kommen insbesondere entsprechende
Halbleiterbausteine aus Silizium zum Einsatz. Die Integrationsdichte von Chips
w¨
achst kontinuierlich (auch wenn aus physikalischer Sicht ein Ende absehbar ist).
28
2. Informatik und Informations- und Kommunikationstechnik
lus stellt sich wie folgt dar: Das Steuerwerk holt und interpretiert die n¨
achste
Instruktion und hierf¨
ur ben¨
otigte Daten aus dem Hauptspeicher; die Instruk-
tion wird gegebenenfalls durch das Rechenwerk ausgef¨
uhrt und, falls n¨
otig,
werden Resultate in den Hauptspeicher (zur¨
uck-)geschrieben. Ein Prozessor
besitzt in der Regel mehrere spezifische Register, die etwa Zwischenergebnis-
se von Operationen aufnehmen k¨
onnen und dabei insbesondere der Ablauf-
beschleunigung dienen. Durch andere Register wird z. B. abgebildet, welche
Instruktion als N¨
achstes auszuf¨
uhren ist (Befehlsz¨
ahler) oder wie sich der
aktuelle Status darstellt. Prozessoren besitzen weiterhin typischerweise eini-
ge spezialisierte Funktionselemente wie z. B. einen Baustein zur effizienten
Berechnung von Operationen mit Gleitkommazahlen.
Man kann Prozessoren hinsichtlich der Art bzw. Menge der Instruktionen,
die sie ausf¨
uhren k¨
onnen, unterscheiden. Teilweise wird in CISC-Prozessoren
(CISC: Complex Instruction Set Computer ) und RISC-Prozessoren (RISC:
Reduced Instruction Set Computer ) unterschieden. W¨
ahrend der Aufbau von
Ersteren durch einen komplexen Instruktionsvorrat (bis zu mehreren hundert
verschiedenen Instruktionen) relativ kompliziert ist, ergeben sich bei RISC-
Prozessoren durch den eingeschr¨
ankten Instruktionsvorrat Vorteile hinsicht-
lich eines einfacheren Aufbaues und damit gegebenenfalls auch m¨
oglichen
h¨
oheren Taktfrequenzen. Beispiele f¨
ur CISC-Prozessoren sind die Pentium-
Prozessoren von Intel.
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