Allgemeines & Allgemeiner Aufbau

  • Mikrochip, der Berechnungen durchführt und andere Prozesse steuert
  • >95% aller Prozessoren weltweit in Embedded Systems verbaut
  • In PC Systemen ist der Prozessor die CPU - Central Processing Unit

ITS-Praxis - 06 - Prozessor Aufbau

Funktionsblock Funktion
Control Unit Steuerwerk: steuert Prozesse
Processing Unit (Rechenwerk/kern) Arithmetic Logical Unit: math. (+ - * /) und log (Und / Oder)
  Floating Point Unit: Gleitkommazahlberechnungen
Register Hilfsspeicher zur Befehlsabarbeitung
Speichercontroller Speicherverwaltung von Cache und RAM
Bus-Interface Verbindung zwischen internen Prozessorbus und Systembus
Cache Schneller Datei- und Befehlsspeicher

Kenngrößen eines Prozessors

Herstellungstechnologie und Strukturgröße

ITs-Praxis - 06 - Morre's Law

Quelle: https://medium.com/predict/moores-law-is-alive-and-well-eaa49a450188

Bauteile werden immer kleiner!

Prognose 1965:

  • Anzahl der verbauten Transistoren verdoppelt sich jährlich
  • Integrationsdichte (Bauteilanzahl pro Fläche) steigt

Problem:

  • Tunneleffekt (physikalische Grenzen)
  • Signallaufzeiten zu lang und Zeit zwischen den Takten immer kürzer
  • Hitzeentwicklung

Prognose seit 2015:

  • Alle 2,5 Jahre
  • Vermutliches Ende: 2025

Vergleich zweier CPU Generationen

  • Beschreibt die Größe der Transistoren und deren Verbindungen
  • Je kleiner die Strukturen, desto mehr Transitoren passen auf gleichen Raum (Integrationsdichte steigt)
  • Die Verbindungen sind kürzer →\rightarrow Signallaufzeiten werden geringer

Anzahl der Kerne

Single-Core Prozessor (ohne SMT)

Der Prozessor besitzt:

  • 1 physikalisches Rechenwerk mit
  • 1 Register und
  • 1 Leitung

Multi-Core Prozessor

Der Prozessor besitzt:

  • 2 physikalische Rechenwerke mit
  • 2 separaten Registern und
  • 2 Leitungen

Single-Core Prozessor (mit SMT)

Der Prozessor besitzt:

  • 1 physikalisches Rechenwerk mit
  • 2 Hilfsregistern und nur
  • 1 Leitung

Taktrate und Rechenleistung

Der interne Takt (Prozessortakt) ist die Geschwindigkeit, mit der der Prozessor intern selbst arbeitet.
→\rightarrow Größe: Frequenz, Einheit: Hz (entspricht Arbeitsschritte pro Sekunde)

1 Hz = 1 * 1/s = 1 s^-1

OPS

Der Takt ist entscheidend für die Operationen pro Sekunde

IPS

“Instructions per Second” gibt die Anzahl Anweisungen an, welche ein Prozessor durchschnittlich innerhalb einer Sekunde verarbeitend kann.

FLOPS

Die durchschnittliche Rechenleistung wird über Floating Point Operations per Second (FLOPS) angegeben.

Weitere Eigenschaften eines Prozessors

Die Verbindungsart des Prozessors mit

  • Chipsatz
  • RAM
  • Grafikkarte

Beeinflusst die Schnelligkeit der Datenübertragung (externer Takt).

Wenn Übertragungszeit niedrig, dann Verarbeitungsgeschwindigkeit hoch.

In der Regel hat eine CPU folgende wichtige Verbindungen:

  • Memory Bus zum RAM
  • PCIe-Bus
  • Direct Media Interface (DMI) zum Chipsatz/Peripherie

DMI Takt: 8.0 GT/s →\rightarrow Giga Transfers per Second

Prozessor-Cache

  • Level 1 - Trennung Daten und Befehle
  • Level 2 - Gemeinsamer Speicher zweier Rechenwerke
  • Level 3 - Gemeinsamer Speicher aller Rechenwerke
  • Level 4 - Gemeinsamer Speicher von CPU und Grafikkarte →\rightarrow Eigener Chip

Zwischenspeicher, der Daten und Befehle zur Verarbeitung lädt, noch bevor sie gebraucht werden (Cache prefetching).
→\rightarrow Kein Leerlauf der CPU

Prozessorsockel

Mainboardschnittstelle, die einige Eigenschaften der CPU festlegt:

  • Anzahl, Belegung, Anordnung Kontakte (Pins)
  • Höchstmögliche externe Taktfrequenzen
  • Verwendete Betriebsspannung

→\rightarrow Elektrische und mechanische Standards