Funktionsweise und Aufbau einer CPU & der zeitliche Ablauf des x86

1. Funktionsweise und Aufbau einer CPU&der zeitliche Ablauf des x86 von Francesco Luciano Und Sebastian Zander

2. CPU • Der Hauptprozessor, englisch Central Processing Unit oder kurz CPU genannt, im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor bezeichnet, ist der zentrale Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuert

3. Komponenten einer CPU • Steuerwerk • Rechenwerk • Registersatz • Adresswerk • Schnittstelle zum Systembus

5. Steuerwerk • Das Steuerwerk (auch Leitwerk) ist der Kern des Mikroprozessors. Im Steuerwerk befinden sich Befehlsregister und Befehlsdecoder. Seine Aufgabe ist die Abarbeitung des Programms, d.h. Befehl für Befehl eines Programmes werden durch das Steuerwerk des Mikroprozessors ausgeführt. Ein Befehl wird also zunächst angefordert und muss nach dem Erhalt dekodiert werden. Danach werden die Operanden geladen, auf die der Befehl angewandt werden soll. Jetzt erst kann die Ausführung stattfinden. Schließlich wird noch der Befehlszähler aktualisiert, und der Zyklus beginnt von Neuem.

6. Rechenwerk • Als Rechenwerk oder Operationswerk bezeichnet man in der Mikroelektronik und technischen Informatik ein Schaltwerk zur Ausführung der Maschinenbefehle eines Computerprogramms. Der Begriff wird häufig synonym mit Arithmetic Logical Unit (ALU) gebraucht, genau genommen stellt eine ALU jedoch lediglich die zentrale Komponente eines Rechenwerks dar, das zusätzlich aus einer Reihe von Hilfs- und Statusregistern besteht. Darüber hinaus kann ein Rechenwerk auch mehrere ALUs enthalten. Moderne Hochleistungsrechner verfügen über eine ganze Anzahl von Rechenwerken, die unabhängig voneinander arbeiten und jeweils auf die Ausführung spezieller Befehle spezialisiert sind.

7. Registersatz • Als Registersatz (engl. Register Set) bezeichnet man die Menge aller Register eines Mikroprozessors. Die Menge derjenigen Register, welche durch Programme direkt angesprochen werden können, bezeichnet man auch als das Programmiermodell eines Prozessors. Über die Register des Programmiermodells hinaus kann es weitere Register geben, die nur prozessorintern verwendet werden. Diese werden auch als Hilfsregister bezeichnet. • Man unterscheidet innerhalb eines Registersatzes drei Typen von Registern: • Datenregister dienen der Zwischenspeicherung von Operanden und Rechenergebnissen. • Adressregister werden zur Adressierung von Operanden und Befehlen verwendet. • Spezialregister finden in unterschiedlichen speziellen Bereichen Anwendung.

8. Busschnittstelle • Die Busschnittstelle verbindet die internen Busse des Prozessors mit der Außenwelt. Sie enthält Puffer zur Zwischenspeicherung von Adressen, Daten und Steuersignalen. • Die CPU arbeitet intern mit einer möglichst niedrigen Spannung, damit die Erwärmung bei hohen Taktfrequenzen in erträglichen Grenzen bleibt. Die BIU sorgt deshalb auch für eine Pegelanpassung zwischen dem CPU-Kern und dem externen Bussystem.

9. Der x86 • Der x86 hat eine lange Geschichte hinter sich. Er ist als Hauptvorreiter des von Normalbenutzern gekauften Heim PC‘s zu betrachten. Viele Firmen haben ihn oft versucht zu kopieren und kaum jemand hat es geschafft, ausser unterlegenen Klonen herzustellen und zu verkaufen. Häufig wurden CPU‘s mit der Grundlage des x86 hergestellt die oft weniger Leistung hatten, jedoch teilweise mit geringerem Preis als Low-Budget Variante verkauft wurden. Folgend wird nun eine kleine Auflistung der wichtigsten x86 Varianten aufgezählt, vom Anfang bis zur aktuellen Intel CPU

10. 1981 Durchbruch mit erster 16-Bit CPU: dem 80286, getaktet mit 8MHz und fast 130000 Transistoren. Dazu kam noch, dass diese CPU nun in AT statt XT PC‘s verbaut wurde. Intel wurde bevorzugter Prozessorlieferant.

11. 1985 erste 32-Bit CPU: 80386 mit anfangs 16, später mit 20, 25 und 33 MHz Erster Multitaskingfähige Intel CPU

12. 1989 80486 mit 1,2Mio Transitoren (4x soviel wie Vorgänger) Cache-Controller hier 8KB großer Datencache nun nicht mehr separat sondern intern. 80486 bis 1994. Zunächst mit 25MHz, bis 1992 zum 80486DX2 mit 66 MHz und 1994 zum DX4 mit 100MHz weiterentwickelt.

13. Für mehr Leistung takten CPU‘s ab dem 80486DX2 intern höher als extern, zum Schutz anderer Komponenten(Wärmeprobleme).

14. Zum Schutz gegen Cloner nächste CPU Generation nicht 80586, sondern Pentium, da namentlich schützbar. Pentium anfänglich mit 3,1Mio Transistoren, taktet mit 60 oder 66MHz. Kann nun 2 Befehle pro Takt durchführen. • Nun zwei 8KB große Datencaches. Der eine speichert Befehl, der andere Daten. • Fertigung anfangs in 5-Volt Technik. • Softwarekompatibel zu Vorgängern.

15. 1994 3-Volt-Technik mit 90 und 100MHz und kurz darauf mit 75MHz als Einstiegsvariante. • 1995 120MHz Version vom Pentium auf der Cebit. • Im November Pentium Pro mit 150, 166, 180 und 200 MHz interner Taktrate und integriertem Second-Level-Cache(Dreifache Datenübertragungsgeschwindigkeit. • Auf 32-Bit optimiert, deswegen langsamer mit Windows 95, da dieses auf 16-Bit optimiert und normaler Pentium erst richtig schnell bei 16-Bit Anwendung.

16. 1996 Pentium mit 150 und 166MHz. • Im Juni Vorstellung Pentium 200. • 1997 Pentium MMX auf dem Markt mit 233MHz um auf AMD CPU zu reagieren. • Im Mai Pentium II mit 233, 266 und 300MHz interner Taktung und 32KB internem Cache. • Letztendliche Taktrate: 450MHz

17. 1998 Einführung der Low-Budget CPU Celeron mit abgespeckter Leistung als kostengünstige Alternative zum teuren Pentium • 1999 Pentium III mit höheren Taktraten, einer verbesserten Architektur und neuen Befehlssätzen (SSE). Mit neuem Coppermine Kern höhere Taktraten möglich. • Mit Coppermine Kern Taktraten von 500 bis 1100MHz. • PIII mit Katmai Kern von 450 bis 600 MHz. • Mit Tualatin Kern von 1133 bis 1400 MHz. • 2002 Celeron nun mit Tualatin Kern, später mit Willamette-Kern des Pentium 4, so dass Taktraten bis 1800 Mhz möglich sind.

18. 1999 Pentium 4 wird vorgestellt. Durch neue Kerne und neuen Befehlssatz (SSE2) Taktraten über 1400MHz bis letztendlich sogar 3800MHz. Der Pentium 4 wird bis 2004 weiterentwickelt.

19. 10. Mai 2004 Intel bringt nach der Erscheinung 2003 verbesserte Variante des Pentium M auf den Markt. • Nun 2MB L2-Cache • Taktraten von 1,6 GHz bis 2,26 GHz • 2005 Pentium M Modell mit 133MHz FSB(Front-Side-Bus) vor, dadurch Beschleunigung des Datendurchsatzes.

20. Januar 2006 Intel Core wird vorgestellt • Stromsparvariante durch vollen Zugriff der CPU auf L2 Cache • Nun 166 MHz FSB und SSE3 Befehlssatz. • Taktraten von 1,5 GHz bis 2,16 GHz • Intel nun vom Markennamen Pentium ab.