CPU

Central processing unit

Funktion

Mikroprozessoren sind hochkomplexe Maschinen. Sie basieren jedoch auf einem einfachen Grundprinzip. Wer es kennt, versteht auch die Funktionsweise der modernen CPUs.

History

Die beiden wichtigsten Einheiten ALU und CU sind heute im Prozessor vereint. Die CPU als Ganzes übernimmt innerhalb des Von-Neumann-Rechners die Ausführung der Befehle und die hierfür notwendige Ablaufsteuerung.

Von-Neumann-Rechner: Er beinhaltete schon vor 50 Jahren die wesentlichen Bestandteile heutiger PCs.

Steuereinheit (CU)

Die CU ist die Kommandozentrale der CPU. Sie steuert alle Abläufe im Innern des Prozessors sowie seine Kommunikation nach außen.

Control Unit: Die CU steuert alle Abläufe im Innern des Prozessors sowie seine Kommunikation nach außen.

Rechenwerk (ALU)

Die ALU ist in der CPU für die Rechenarbeit zuständig. Alle aktuellen PC-Prozessoren besitzen neben einem oder mehreren dieser Rechenwerke für Ganzzahlen auch solche für Fließkommaarithmetik. Die FPUs ignorieren wir bei der Erläuterung der prinzipiellen Funktionsweise einer CPU, weil sie prinzipiell mit einer ALU gleichzusetzen ist.

Arithmetical and Logical Unit: Die ALU und ihr Datenweg. Die Hilfsregister für die Operanden und Ergebnisse gehören zu diesem Funktionsblock.

Adresseinheit (AU) & Busschnittstelle (BIU)

Address Unit: Die AU sorgt für die Berechnung der Adresse. In modernen CPUs verseht eine leistungsfähigere MMU diesen Dienst.

Cache-Grundlagen

Cache Interna: Der prinzipielle Aufbau eines Caches (oben) sowie die Adressauswertung im Cache-Controller (unten).

Cache-Organisation

Assoziativspeicher: Der teilassoziative Mehrweg-Cache beinhaltet im Prinzip mehrere Direct Mapped Caches plus Statistik-Bits (LRU).

Pipeline-Verfahren

Pipeline in Funktion: Mit der Pipelining-Technik lässt sich die Befehlsausführung beschleunigen.

Superskalare Architektur

Parallel ist schneller: Superskalare Architekturen mit einer doppelten Pipeline (oben) und parallel arbeitenden Ausführungseinheiten (unten).