Was ist und wofür ist der Mikroprozessor oder die CPU?

Der Mikroprozessor, auch als CPU oder Zentraleinheit bekannt, ist eine komplette Rechenmaschine, die auf einem einzigen Siliziumchip hergestellt wird. Es ist auch als das Herz eines normalen Computers bekannt, sei es ein Desktop-Computer, ein Server oder ein Laptop.

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Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Mikroprozessor?

Sicherlich ist der Mikroprozessor, den Sie auf Ihrem Computer verwenden, ein Pentium, ein AMD Ryzen oder eine der Generationen von Intel Core i3, i5, i7 oder i9. Dies sind die beliebtesten Prozessoren… aber sie machen wirklich alle „ungefähr das Gleiche“ (ich lasse es in Anführungszeichen, weil es Technologien gibt, die es unterscheiden) und auf die gleiche Weise.

Der erste Mikroprozessor war der Intel 4004, der 1971 eingeführt wurde. Er war nicht sehr leistungsfähig, da er nur addieren und subtrahieren konnte und dies nur mit jeweils 4 Bit. Aber es war erstaunlich, dass alles auf einem Chip war.

Der Mikroprozessor ist normalerweise über eine bestimmte Buchse auf der Hauptplatine des Computers untergebracht. und zu dem für seinen stabilen und korrekten Betrieb ein Kühlsystem hinzugefügt wird, das einen Kühlkörper und Lüfter enthält, die für die Beseitigung der gesamten überschüssigen Wärme verantwortlich sind, die der Kühlkörper absorbiert.

Zwischen der Mikroprozessorkapsel und dem Kühlkörper wird üblicherweise Wärmeleitpaste verwendet , um die Wärmeleitfähigkeit effektiver zu gestalten. Darüber hinaus gibt es andere modernere und effizientere Methoden auf dem Markt, wie die Flüssigkeitskühlung oder die Verwendung von Peltierzellen für eine bessere Kühlung, obwohl diese Verfahren fast ausschließlich zum Übertakten verwendet werden.

Wofür ist ein Mikroprozessor?

Ein Mikroprozessor ist eine Komponente, die die Anweisungen und Aufgaben der Computerverarbeitung ausführt und die "Engine" ist, die beim Einschalten des Computers startet. In einem Computersystem ist der Mikroprozessor die Zentraleinheit, die die an ihn übertragenen logischen Anweisungen ausführt und verwaltet.

Ein Mikroprozessor ist so konzipiert, dass er typische Vorgänge wie Addieren, Subtrahieren, Teilen, Multiplizieren, Interprozess- und Gerätekommunikation, Eingabe, Ausgabeverwaltung und mehr ausführt.

Es besteht aus integrierten Schaltkreisen, die je nach Leistung des Geräts Tausende von Transistoren enthalten.

Mikroprozessoren werden im Allgemeinen nach der Anzahl der Befehle klassifiziert, die sie in einer bestimmten Zeit verarbeiten können, der in Megahertz gemessenen Taktfrequenz und der Anzahl der pro Befehl verwendeten Bits.

Ein Mikroprozessor ist so ausgelegt, dass er arithmetische und logische Operationen ausführt, bei denen kleine Anzahl von Aufbewahrungsbereichen verwendet wird, die als Register bezeichnet werden.

Wenn Ihr Computer eingeschaltet ist, empfängt der Mikroprozessor die erste BIOS-Anweisung (Basic Input / Output System), die mit dem Computer als Teil seines Speichers geliefert wird.

Danach "steuert" das BIOS oder das Betriebssystem, das das BIOS in den Arbeitsspeicher des Computers lädt, den Mikroprozessor und weist ihn an, dies zu tun. Ein Mikroprozessor akzeptiert Binärdaten als Eingabe und liefert die Ausgabe nach der Verarbeitung gemäß den im Speicher gespeicherten Anweisungen.

Was ist ein Chip?

Ein Chip wird auch als integrierte Schaltung bezeichnet. Es ist im Allgemeinen ein kleines, dünnes Stück Silizium, auf das die Transistoren, aus denen der Mikroprozessor besteht, geätzt wurden.

Ein Chip kann auf einer Seite bis zu einem Zoll groß sein und mehrere zehn Millionen Transistoren aufnehmen. Die einfachsten Prozessoren können aus einigen tausend Transistoren bestehen, die auf einem Chip von wenigen Quadratmillimetern eingraviert sind.

Wie funktioniert ein Mikroprozessor?

Bild aus Wikipedia

Ein Prozessor ist das Gehirn eines Computers, der im Wesentlichen aus einer Arithmetik- und Logikeinheit (ALU), einer Steuereinheit und einer Registermatrix besteht.

Wie der Name schon sagt, führt ALU alle arithmetischen und logischen Operationen an den vom Speicher oder den Eingabegeräten empfangenen Daten aus.

Die Registermatrix besteht aus einer Reihe von Registern wie Akkumulator (A), B, C, D usw., die als temporäre Speicherorte für den Schnellzugriffsspeicher zur Datenverarbeitung dienen.

Die Steuereinheit verwaltet ihrerseits den Fluss von Anweisungen und Daten im gesamten System.

Im Grunde genommen nimmt ein Mikroprozessor die Eingabe von den angeschlossenen Geräten, verarbeitet sie gemäß den im Speicher angegebenen Anweisungen und erzeugt die Ausgabe.

Vorteile eines Mikroprozessors

• Niedrige Kosten : Mikroprozessoren sind dank integrierter Schaltungstechnologie kostengünstig erhältlich. Das reduziert die Kosten eines Computersystems. Hohe Geschwindigkeit : Mikroprozessorchips können dank der in ihnen verwendeten Technologie mit sehr hoher Geschwindigkeit arbeiten. Es ist in der Lage, Millionen von Anweisungen pro Sekunde auszuführen. Kleine Größe : Aufgrund der Integrationstechnologie im großen und extrem großen Maßstab wird ein Mikroprozessor mit einer stark reduzierten Oberflächengröße hergestellt. Dadurch wird die Größe des gesamten Computersystems verringert. Vielseitig : Mikroprozessoren sind sehr vielseitig. Der gleiche Chip kann für eine Reihe von Anwendungen verwendet werden, indem einfach das Programm geändert wird (Anweisungen im Speicher gespeichert). Geringer Stromverbrauch : Mikroprozessoren werden im Allgemeinen unter Verwendung der CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) hergestellt, bei der MOSFETs (Feldeffekttransistoren aus Metalloxid-Halbleiter) im Sättigungs- und Abschaltmodus arbeiten. Daher ist der Stromverbrauch sehr gering.

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• Geringere Wärmeerzeugung : Im Vergleich zu Vakuumröhrengeräten (thermoionisches Ventil) geben Halbleiterbauelemente nicht so viel Wärme ab. Zuverlässig : Mikroprozessoren sind sehr zuverlässig und die Ausfallrate ist bei Verwendung der Halbleitertechnologie viel geringer. Tragbar : Computergeräte oder -systeme aus Mikroprozessoren können aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Stromverbrauchs tragbar gemacht werden.

Allgemeine Begriffe, die in einem Mikroprozessor verwendet werden

Um zu verstehen, wie ein Mikroprozessor funktioniert, ist es hilfreich, nach innen zu schauen und sich mit der Logik vertraut zu machen, mit der ein Mikroprozessor erstellt wurde. Dabei können Sie auch die Muttersprache eines Mikroprozessors und viele Dinge lernen, die Ingenieure tun können, um die Geschwindigkeit eines Prozessors zu erhöhen.

Hier sind einige gebräuchliche Begriffe, die im Bereich der Mikroprozessoren verwendet werden:

Der Bus

Ein Bus ist ein Satz von Leitern, die Daten, Adressen oder Steuerinformationen an verschiedene Elemente eines Mikroprozessors übertragen sollen. Normalerweise hat ein Mikroprozessor drei Arten von Bussen: Datenbus, Steuerbus und Adressbus. Ein 8-Bit-Prozessor verwendet einen 8-Bit-Bus.

Befehlssatz

Der Befehlssatz ist die Gruppe von Befehlen, die ein Mikroprozessor verstehen kann. Der Befehlssatz ist eine Schnittstelle zwischen Hardware und Software. Ein Befehl weist den Prozessor an, die relevanten Transistoren zu ändern, um eine Datenverarbeitung durchzuführen. Zum Beispiel ADD A, B; wird verwendet, um zwei in den Registern A und B gespeicherte Zahlen hinzuzufügen.

Wortlänge

Die Wortlänge ist die Anzahl der Bits auf dem internen Datenbus eines Prozessors oder die Anzahl der Bits, die ein Prozessor gleichzeitig verarbeiten kann.

Beispielsweise verfügt ein 8-Bit-Prozessor über einen 8-Bit-Datenbus und 8-Bit-Register und verarbeitet jeweils 8 Bit. Um Operationen mit höheren Bits (32 oder 16 Bit) auszuführen, teilen Sie diese in eine Reihe von 8-Bit-Operationen auf.

Cache-Speicher

Der Cache ist ein in den Prozessor integrierter Direktzugriffsspeicher. Auf diese Weise kann der Prozessor schneller als mit normalem RAM auf die Daten im Cache-Speicher zugreifen. Wird auch als "CPU-Speicher" bezeichnet. Der Cache wird zum Speichern von Daten oder Anweisungen verwendet, auf die während des Betriebs häufig von der Software oder dem Programm verwiesen wird. Dies erhöht die Gesamtgeschwindigkeit des Vorgangs.

Taktfrequenz

Die Mikroprozessoren verwenden ein Taktsignal, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der Befehle ausgeführt werden, andere interne Komponenten zu synchronisieren und die Datenübertragung zwischen ihnen zu steuern. Daher bezieht sich die Taktrate auf die Geschwindigkeit, mit der ein Mikroprozessor die Anweisungen ausführt. Im Allgemeinen wird es in Hertz gemessen und in Megahertz (MHz), Gigahertz (GHz) usw. ausgedrückt.

Mikroprozessorklassifizierung

Mikroprozessoren können wie folgt klassifiziert werden:

Wortlänge

Basierend auf der Wortlänge eines Prozessors können wir 8-Bit-, 16-Bit-, 32-Bit- und 64-Bit-Prozessoren haben.

RISC - Reduzierter Befehlssatz

RISC ist eine Art Mikroprozessorarchitektur, die einen kleinen, hochoptimierten Allzweckbefehlssatz anstelle eines spezielleren Befehlssatzes verwendet, wie er in anderen Komponenten zu finden ist.

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RISC bietet eine hohe Leistung gegenüber seiner gegenüberliegenden CISC-Architektur. In einem Prozessor erfordert die Ausführung jedes Befehls eine spezielle Schaltung zum Laden und Verarbeiten der Daten. Durch die Reduzierung der Anweisungen verwendet der Prozessor daher einfache Schaltungen und einen schnelleren Betrieb.

Diese Mikroprozessoren haben:

• Einfacher Befehlssatz Größere Programme Besteht aus einer großen Anzahl von Registern Einfache Prozessorschaltung (kleine Anzahl von Transistoren) Mehr Verwendung von RAM Anweisungen mit fester Länge Einfache Adressierungsmodi Normalerweise wird die Anzahl der Taktzyklen zum Ausführen eines Befehls festgelegt

CISC - Komplexer Befehlssatz

CISC ist die Mikroprozessorarchitektur im Gegensatz zu RISC. Es wird durchgeführt, um die Anzahl der Befehle pro Programm zu reduzieren, wobei die Anzahl der Zyklen pro Befehl ignoriert wird. Auf diese Weise werden komplexe Befehle direkt in Hardware umgewandelt, wodurch der Prozessor komplexer und langsamer arbeitet.

Diese Architektur wurde entwickelt, um die Speicherkosten und die Dauer des Programms zu reduzieren.

Diese Mikroprozessoren haben:

• Komplexer Befehlssatz Kleinstes Programm Weniger Register Anzahl komplexe Prozessorschaltungen (mehr Transistoren) Wenig RAM-Verwendung Befehle mit variabler Länge Verschiedene Adressierungsmodi Variable Anzahl von Taktzyklen für jeden Befehl

Spezielle Prozessoren

Es gibt einige Prozessoren, die für bestimmte Funktionen ausgelegt sind:

• DSP-Coprozessoren (Digital Signal Processors): Prozessoren, die in Verbindung mit einem Hauptprozessor verwendet werden (mathematischer Coprozessor 8087, der mit 8086 verwendet wird). E / A-ProzessorenTransputer: Mikroprozessor mit eigenem lokalen Speicher

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Schließlich ist ein Mikroprozessor die wichtigste Einheit innerhalb eines Computersystems und für die Verarbeitung der eindeutigen Anweisungen und Prozesse verantwortlich. Daher ist es wichtig zu analysieren, welche Mikroprozessoren heute die besten sind, um eine gute Wahl zu treffen. Diese Details, die wir kommentiert haben, beziehen sich auf einen Prozessor, sind jedoch grundlegend, um zu verstehen, wie ein Prozessor vor 20 bis 30 Jahren funktioniert. Derzeit gibt es viele weitere Funktionen, zu deren Untersuchung wir Sie einladen. Was denkst du über unseren Artikel? Wir freuen uns auf Ihre Kommentare!