Der Prozessor
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IT-Systeme Der Prozessor Der Prozessor Aufbau Der Prozessor besteht im wesentlichen aus zwei Teilen: • • Im Rechenwerk mit der ALU (=Arithmetic and Logical Unit) werden sämtliche Befehle abgearbeitet: - Berechnungen - Verknüpfungen - Vergleiche Prozessor Steuerwerk Rechenwerk Das Steuerwerk (auch Leitwerk genannt) koordiniert alle Arbeitsabläufe im Prozessor. Dafür gibt es unter anderem einen Taktgeber. Dessen Taktrate (Angabe in MHz oder GHz) bestimmt wesentlich wie viele Anweisungen der Prozessor pro Sekunde abarbeiten kann. Suchen Sie aus diversen Anzeigen die Taktraten aktueller Prozessoren heraus. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Geben Sie an aus welchen Einheiten das Steuerwerk bzw. das Rechenwerk aufgebaut ist. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Welche sieben Schritte sind bei der Abarbeitung eines jeden Befehles nötig? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Seite 1 IT-Systeme Der Prozessor Die Leistungsfähigkeit eines Computers ist sicherlich ganz stark vom eingesetzten Prozessor abhängig. Leider wird in der Werbung jedoch nur die Taktrate in den Mittelpunkt gestellt da sich hohe GHz-Zahlen eben leicht an Laien verkaufen lassen.l Bei der Einschätzung der Prozessorleistung sind jedoch daneben noch etliche andere Kriterien wichtig: 9 Die Größe des integrierten Level 1- und Level 2-Caches (kurz L1- und L2-Cache). Dabei handelt es sich um sehr schnelle Zwischenspeicher in welchen der Prozessor kurzfristig Daten ablegen kann. Damit dies möglichst schnell erfolgen kann dürfen die Daten nur sehr kurze Wege in den Leiterbahnen zurücklegen. Deshalb ist der Cache direkt in den Chip des Prozessors integriert. 9 Stellt der Prozessor vorgefertigte Kurzanweisungen für komplexe Befehlskombinationen zur Verfügung so erhöht dies vor allem die Darstellung anspruchsvoller Grafiken wie sie häufig in Spielen zum Einsatz kommen. Bei Intel heißt diese Technik „MMX“ (MultiMedia Extension), AMD nennt sie „3DNow!“. 9 Soll ein PC für sehr aufwändige Berechnungen eingesetzt werden ist ein leistungsfähiger, im Prozessor integrierter, mathematischer Coprozessor wichtig. Mit diesen Eigenschaften ist aber nur die Leistungsfähigkeit des Prozessors definiert. Ob der PC als Komplettsystem auf höchstem Niveau arbeitet wird zusätzlich noch von den restlichen eingesetzten Baugruppen bestimmt: - Wie groß ist der Arbeitsspeicher? - Taktrate des Frontside-Bus (FSB): Angenommen ein Rechner arbeitet mit einem Fronside-Bus von 100 MHz, dann heißt das: o Der Arbeitsspeicher wird vom Prozessor mit 100 MHz angesprochen. o Der Prozessor spricht den AGP Steckplatz (Grafikkarte) mit FSB/2 an: Æ 100 MHz (FSB) / 2 = 50 MHz (AGP). o Geschwindigkeit der Kommunikation zwischen Prozessor und PCI Steckplatz: Æ 100 MHz (FSB) / 4 = 25 MHz (PCI) - Geschwindigkeit der eingebauten Peripherie - usw. Doch nicht jeder PC-Benutzer benötigt ein System mit höchstem Leistungsniveau. Oft sind auch andere, zum Teil „weiche“ Entscheidungskriterien ausschlaggebend für den Kauf: • Leistungsaufnahme des Prozessors (z. B. beim Einsatz in Notebooks) • Anschaffungskosten • Bevorzugter Hersteller Seite 2 IT-Systeme Der Prozessor Leistungssteigerung Um aus einem vorhandenen Prozessor mehr Rechenleistung herauszuholen betreiben ihn manche PC-Benutzer mit einer höheren Taktrate als der eigentlich zugelassenen („Overclocking“). Bei älteren Mainboards musste dazu lediglich ein Jumper verändert werden um den sogenannten Multiplikator heraufzusetzen. Bei neueren Boards müssen dafür Pins am Prozessor – bzw. am Sockel – kurzgeschlossen oder existierende Verbindungsbrücken am Sockel entfernt werden. ACHTUNG: Derartige Modifikationen führen unweigerlich zu Garantieverlust! Overklcocking erhöht die Leistungsaufnahme dramatisch Æ viel höherer Kühlungsbedarf! Overclocking vermindert die Lebensdauer eines Prozessors erheblich! Notieren Sie sich nachfolgend in Stichpunkten was man unter den vorgegebenen Fachbegriffen versteht. • Stages • Pipelining • Superskalar • Hyperthreading • Sprungvorhersage Seite 3 IT-Systeme Der Prozessor Legen Sie in nachfolgender Tabelle fest welcher Prozessortyp für jeden der gegebenen Anwendungsfälle am geeignetsten erscheint. Büroanwendungen (Word, kleine Excel-Tabellen) Aktuelle 3-D Action-Games spielen Betrieb einer mittleren Datenbank mit gelegentlichen Zugriffen über das Intranet Surfen im Internet, gelegentliche Arbeiten mit Office-Paket Videos von Kamera auf PC übertragen und schneiden Audio-CDs in MP3 kodieren und Bilder von Digitalkamera archivieren Programmieren von Webseiten mit einem HTML-Editor Erstellen dreidimensionaler Objekte („rendern“) für Animationen Bearbeiten von Werbefotos vorbereiten für die Weitergabe an eine Druckerei Ausprobieren neuer Linux-Distributionen mit Neukompilierung des Kernels Briefe schreiben und fernsehen Seite 4 Neueste Generation; extrem leistungsfähig; teuer Anwendungswunsch Gängige Generation; mittlere Leistung; gemäßigter Preis Vorletzte Generation; geringe Taktrate; kostengünstig Prozessor IT-Systeme Der Prozessor Sockel Derzeit befinden sich eigentlich nur noch zwei namhafte Prozessorhersteller am Markt. Wie heißen diese? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Um aktuelle Software zu benutzen ist es egal von welchem der beiden Hersteller ein Prozessor im System steckt. Die Prozessoren sind also kompatibel zueinander. Obwohl mit jeder neuen Prozessorgeneration neue Features integriert werden läuft auch ältere Software noch auf Computern mit neueren CPUs. Man sagt auch: Die neuen Prozessoren sind abwärtskompatibel. Dies bedeutet aber nicht dass man einen älteren Prozessor einfach aus seinem Sockel ziehen und durch einen neuen ersetzen kann. Mit der Weiterentwicklung der Chips ändert sich auch das Schaltungslayout. Dies führt in der Regel zu einer Erhöhung der Anzahl an Anschlußpins was wiederum eine neue Generation an Sockel nach sich zieht (siehe Tabelle auf dem letzten Blatt). Beim Aufstecken des Prozessors auf den Sockel ist die seitenrichtige Montage zu beachten. Bei früheren Prozessor-Sockel-Kombinationen gab es einen oder zwei Verpolschutzpins so dass der Sockel nur in der richtigen Lage aufgesteckt weren konnte. Dies wurde auch durch eine / zwei abgeschrägte Ecken angezeigt. Beim Pentium 4 mit Prescott-Kern hat der Prozessor keine Pins mehr sondern nur noch glatte Kontakte, die auf kleine Federkontakte im Sockel gepresst werden. Deshalb wird der Verpolschutz durch einige kleiner Kerben im Sockel und entsprechender Nasen am Prozessor gewährleistet. Achtung: Bei der Montage eines P4 ohne Pins ist besondere Vorsicht geboten da sich die Federkontakte im Sockel bereits bei geringstem schrägen Ansetzen des Prozessors sehr leicht verbiegen. In der Folge ist der Prozessor nicht mehr einsetzbar und das Board muss weggeworfen werden! Seite 5 IT-Systeme Der Prozessor Elektrische Leistung Eine moderne CPU wie der Pentium 4 mit Prescott-Kern hat eine Leistungsaufnahme von bis zu 84 Watt. Da mit jeder neuen Prozessorgeneration die Anzahl der integrierten Transistoren ansteigt erhöht sich auch jedes Mal die Leistungsaufnahme. Ein großer Teil der zugeführten Leistung wird in Wärme umgewandelt. Prozessoren dürfen sich jedoch nur bis zu einer bestimmten Temperatur erwärmen bevor sie beschädigt werden. Um die Erwärmung der Prozessoren zu beschränken werden verschiedene Maßnahmen getroffen: • Reduktion der zugeführten elektrischen Leistung durch Absenkung der Versorgungsspannung. • Wärmeabfuhr durch Kühlung o Passive Kühlung durch extrem große Kühlkörper o Aktive Kühlung durch Lüfter o Aktive Kühlung durch Wasserkühlung Überlegen Sie sich welche Vor- und Nachteile die verschiedenen Maßnahmen zur Wärmeregulierung der Prozessoren haben (können). ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Seite 6 IT-Systeme Der Prozessor Beispiele für Prozessoren und deren Sockel Prozessor Pentium I MMX Pentium II Pentium 4 Pentium 4 CPU-Kern P55C Klamath Northwood A Prescott 233 MHz 300 MHz 2 GHz 3 GHz 1997 1998 2001 2004 Sockel 7 Slot 1 Sockel 478 Sockel 775 321 Pins am Prozessor Leiste mit 387 Kontakten 478 Pins am Prozessor 775 Federkontakte im Sockel 3,3 Mio. 7,5 Mio 55 Mio. 125 Mio. Leistungsaufnahme 17 W 43 W 52 W 84 W Max. zulässige Betriebstemperatur 70 °C 72 °C 68 °C 68 °C Taktfrequenz Markteinführung Abbildung Prozessor Bezeichnung des Sockels Anzahl der Kontakte Prozessor ÅÆ Sockel Abbildung Sockel Anzahl integrierter Transistoren Seite 7 IT-Systeme Der Prozessor Lösung Geben Sie an aus welchen Einheiten das Steuerwerk bzw. das Rechenwerk aufgebaut ist. • Steuerwerk: Befehlszähler, Befehlsregister, Befehlsdecodierer, Operationensteuerung, Statusregister, Taktgeber • Rechenwerk: Register für Operanden und Ergebnisse, Akkumulator, ALU (Arithmetic- and Logical Unit) Welche sieben Schritte sind bei der Abarbeitung eines jeden Befehles nötig? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Befehl aus Speicher holen Dekodieren des Befehls Adressberechnungen Operanden aus Speicher holen Operationsdurchführung Speicherung der Ergebnisse Bestimmung der Adresse des nächsten Befehls Seite 8 IT-Systeme Der Prozessor Lösung Notieren Sie sich nachfolgend in Stichpunkten was man unter den vorgegebenen Fachbegriffen versteht. • Stages Zerlegung eines Befehles in Zwischenschritte (im einfachsten Fall: fetch – decode – execute) • Pipelining Mit der Ausführung eines Befehles kann bereits begonnen werden wenn der vorhergehende noch nicht vollständig abgearbeitet wurde. • Superskalar Die CPU enthält zwei interne Datenleitungen so dass stets zwei Befehle gleichzeitig ausgeführt werden können. • Hyperthreading Von Intel bezeichnete Fähigkeit einer CPU, mehrere (Teil-) Programme parallel auszuführen. • Sprungvorhersage Aufgrund verschiedener statistischer Ansätze wird von der CPU vermutet welche Befehle auf einen anderen Befehl folgen. Diese nachfolgenden Anweisungen werden vor der Ausführung bereits vom langsameren Arbeitsspeicher in den schnellen Cache geladen. Seite 9 IT-Systeme Der Prozessor Lösung Legen Sie in nachfolgender Tabelle fest welcher Prozessortyp für jeden der gegebenen Anwendungsfälle am geeignetsten erscheint. Büroanwendungen (Word, kleine Excel-Tabellen) Neueste Generation; extrem leistungsfähig; teuer Anwendungswunsch Gängige Generation; mittlere Leistung; gemäßigter Preis Vorletzte Generation; geringe Taktrate; kostengünstig Prozessor X X Aktuelle 3-D Action-Games spielen Betrieb einer mittleren Datenbank mit gelegentlichen Zugriffen über das Intranet Surfen im Internet, gelegentliche Arbeiten mit Office-Paket X X X Videos von Kamera auf PC übertragen und schneiden Audio-CDs in MP3 kodieren und Bilder von Digitalkamera archivieren Programmieren von Webseiten mit einem HTML-Editor X X Erstellen dreidimensionaler Objekte („rendern“) für Animationen Bearbeiten von Werbefotos vorbereiten für die Weitergabe an eine Druckerei Ausprobieren neuer Linux-Distributionen mit Neukompilierung des Kernels X X X X Briefe schreiben und fernsehen Seite 10 IT-Systeme Der Prozessor Lösung Überlegen Sie sich welche Vor- und Nachteile die verschiedenen Maßnahmen zur Wärmeregulierung der Prozessoren haben (können). Reduktion der Spannungsversorgung: o Vorteil: Es wird bereits die zugeführte Leistung abgesenkt. D. h. es handelt sich um eine präventive Maßnahme! o Nachteil: Kann nicht vom Anwender sondern nur vom Hersteller beeinflußt werden. (nur sehr geringer Nachteil!) Passive Kühlung mittels Kühlkörper: o Vorteil: Keine Geräuschentwicklung Æ sehr leiser Rechner o Nachteil: sehr schwer, großer Kühlkörper außerhalb des Rechnergehäuses nötig Æ erhöhter Platzbedarf und evtl. eine Frage der Ästhetik Aktive Kühlung mittels Lüfter: o Vorteil: Kostengünstig, leichte Montage o Nachteil: Meist recht hohe Lärmentwicklung (Abhilfe wäre ein sehr gut gelagerter Lüfter der evtl. sogar noch eine temperaturabhänige Drehzahlregelung hat; aber: diese sind wieder deutlich teurer) Aktive Kühlung mit einer Wasserkühlung: o Vorteil: Sehr geringe bis keine Geräuschentwicklung o Nachteil: Teuer; aufwändige Montage; Vorbehalte bei vielen Anwendern ob die Flüssigkeit austreten und den Rechner beschädigen kann. Seite 11
