Prozessor-Grundlagen

Was ist ein Kern, was bedeutet die Abkürzung ALU und wozu hat ein Computer einen Bus? Die folgenden Abschnitte erklären die wichtigsten Fachbegriffe rund um Prozessoren.

Die Abkürzung ALU steht für Arithmetic Logic Unit und bezeichnet das Rechenwerk eines Prozessors. Die ALU berechnet zwei Gruppen von Aufgaben. Zur ersten Gruppe gehören arithmetische Operationen, etwa Addition oder Multiplikation. Zur zweiten Gruppe gehören logische Operationen, die Zahlenwerte manipulieren oder miteinander vergleichen. So wird bei der logischen Negation ein Wert in seinen Gegenwert umgekehrt, also etwa der Status „an“ in „aus“ verändert. Bei logischen Vergleichen wird geprüft, ob ein Wert größer als ein anderer ist oder sich die beiden Werte gleichen.

Ein Bus ist in der Elektrotechnik ein System, in dem Daten zwischen mehreren Geräten ausgetauscht werden. Es handelt sich dabei aber nicht um eine exklusive Verbindung. Das heißt, alle Geräte, die über den Bus verbunden sind, nutzen diesen gleichzeitig. Wichtig ist, dass Geräte bei einem Bussystem in Reihe geschaltet sind.

Die bekanntesten Bussysteme in einem Computer sind ATA, IDE und PCI. Sie verbinden die Festplatten, die Laufwerke sowie die Erweiterungskarten über das Mainboard mit dem Prozessor. Arbeitsspeicher und Prozessor kommunizieren miteinander ebenfalls über einen Bus. Auch die einzelnen Bestandteile einer CPU sind über einen Bus miteinander verbunden.

Ein Cache ist ein kleiner Zwischenspeicher, der an verschiedenen Stellen im PC zum Einsatz kommt. So puffern fast alle Festplatten Schreib- und Lesezugriffe in einem Cache. Oft angefragte Dateien werden etwa im Cache abgelegt. So sind die Dateien schneller abrufbar.

Bei Prozessoren kommen der L1-, L2- und L3-Cache vor. Der L1- oder First-Level-Cache ist mit maximal 256 KByte der kleinste. Er speichert die wichtigsten Daten und Befehle. Das entlastet den Arbeitsspeicher. Der L1-Cache arbeitet mit dem vollen Prozessortakt.

Der L2-Cache, auch Second-Level-Cache genannt, lag ursprünglich außerhalb der CPU und erweiterte dort den L1-Cache. Wenn viele Programme gleichzeitig ausgeführt werden, dann profitiert der Prozessor vom L2-Cache. Der Second-Level-Cache arbeitet nur mit halbem Prozessortakt. Er wird mittlerweile in den Prozessor-Chip integriert und ist bis zu 12 MByte groß.

Seit Einführung der Mehrkernprozessoren wird der L3- oder Third-Level-Cache immer wichtiger. Er ist in den Prozessor-Chip integriert und unterstützt den Datenaustausch zwischen den Prozessorkernen. Auch der L3-Cache arbeitet mit vollem Prozessortakt.

Der Prozessorkern ist auf dem Die — sprich: dei — untergebracht. Der Die vereint Steuer- und Rechenwerk, Caches und Register. Er ist aus Silizium und äußerst zerbrechlich. Daher wird er durch eine Metallplatte vor mechanischen Einflüssen geschützt. Diese Metallplatte heißt Heatspreader und sorgt für eine gleichmäßige Abgabe der Betriebshitze an den Prozessorkühler.

Bei älteren Athlon-Modellen hat AMD den Die ungeschützt gelassen. Dies führte bei der Montage des Prozessorlüfters häufig zu einem irreparablen Schaden am Prozessor. Wenn der Lüfter zum Beispiel beim Aufsetzen verkantet wurde, brachen die Ecken des Die ab.

Flops ist die Abkürzung für Floating Point Operations per Second — Fließkommaberechnungen pro Sekunde. Es handelt sich um eine Einheit, mit der die Rechenleistung eines Computers oder einer CPU angegeben wird.

Eine Maßeinheit wie Flops ist wichtig, weil die Taktfrequenz eines Prozessors nicht mit seiner Rechengeschwindigkeit gleichzusetzen ist. Stattdessen gibt die Taktfrequenz nur die Anzahl der Rechenschritte pro Sekunde wieder. Je nach Architektur des Prozessors und der Anzahl seiner Kerne variieren die pro Fließkommaberechnung benötigten Rechenschritte.

Um unterschiedliche Rechner zu vergleichen, wird ermittelt, wie viele Flops sie erreichen. Ein Intel Pentium 4 mit einem Kern und 3,2 GHz Takt schafft im Schnitt 3,1 Gigaflops. Ein Intel Core i7 mit 3,2 GHz Takt und vier Kernen erreicht 33 Gigaflops, also die 10-fache Rechenleistung.

Der Front Side Bus, kurz FSB, verbindet auf älteren Computersystemen den Hauptprozessor mit der Northbridge. Die Northbridge steuert die AGP-Steckkarten und den Arbeitsspeicher an und — indirekt über die Southbridge — Laufwerke und USB-Geräte. Auf neueren Mainboards wird der FSB durch Hypertransport ersetzt.

Hyperthreading kommt nur in Intel-Prozessoren zum Einsatz, vor allem in neueren Pentium-4-Modellen sowie in Core-i7- und Atom-CPUs. Hyperthreading nutzt den Prozessor besser aus: Es verwendet Pausen, die bei der Bearbeitung einer Aufgabe entstehen, und zieht kurzzeitig eine andere Aufgabe vor. Dafür optimierte Programme arbeiten so bis zu 30 Prozent schneller.

Hypertransport entstand aus einem Projekt von AMD und wird mittlerweile in den meisten aktuellen Computersystemen eingesetzt.

Die Geräte werden nicht wie bei einem Bus in Reihe geschaltet, sondern sind baumartig mit der CPU verbunden. Die Datenleitungen entsprechen dabei den Zweigen des Baumes und werden exklusiv einem der angeschlossen Geräte zur Verfügung gestellt.

Entscheidend ist, dass ein Gerät mit mehr als nur einer Datenleitung angebunden sein kann. Dadurch steigt die Kapazität, mit der CPU und Gerät Daten kommunizieren. Moderne 3D-Grafikkarten müssen zum Beispiel mehr Daten austauschen als eine Soundkarte. Die Grafikkarte wird also meist mit mehr Datenleitungen angebunden.

Der Kern eines Prozessors besteht aus einem Rechenwerk (ALU), einem Steuerwerk und Registern. Auch der L1- und L2-Cache gehören dazu.

Mehrkernprozessoren verfügen über mehrere Kerne, weshalb sie mehrere Rechen- und Steuerwerke, Register sowie L1- und L2-Caches enthalten. Lediglich den L3-Cache teilen sich alle Prozessorkerne.

Als Register werden Speicherbereiche innerhalb des Prozessors bezeichnet. Die Register sind je nach Prozessortyp maximal 32 Bit oder 64 Bit breit.

In den Registern werden etwa die beiden Operanden einer Berechnung gespeichert. Die ALU liest aus dem Register die Operanden, kombiniert sie und speichert das Ergebnis wieder im Register.

Single-Core sind Prozessoren, die lediglich über einen Prozessorkern verfügen. Da sie nur ein Rechenwerk besitzen, können sie nur eine Berechnung zur selben Zeit durchführen.

Das Steuerwerk koordiniert in einem Prozessor das Rechenwerk und den Arbeitsspeicher. Es sorgt dafür, dass die Aufgaben in der logisch korrekten Reihenfolge bearbeitet werden.