Das Funktionsprinzip einer CPU wurde im Jahr 1949 vom Mathematiker John von Neumann erdacht. Die so genannte
Von – Neumann – Architektur besteht im Wesentlichen aus vier Funktionseinheiten:
Speicher
Eine weitere wichtige Komponente, das Bussystem, dient der Verbindung der einzelnen Funktionsblöcke.
Die CPU kontrolliert den kontinuierlichen Datenfluss zwischen den einzelnen Funktionseinheiten.
Die Daten entstammen dem Arbeitsspeicher oder den angeschlossenen Geräten (Tastatur, Laufwerk etc.).
Nach der Verarbeitung wird das Ergebnis an den Arbeitsspeicher oder an ein Gerät geschickt.
Die CPU lädt eigenständig den
nächsten auszuführenden Befehl zur Datenverarbeitung.
Die eigentliche Arbeit der CPU ist dann das Berechnen und Verschieben von Daten.
Der Von – Neumann – Rechner arbeitet sequenziell, d.h., Befehle und Daten aus dem Speicher werden Schritt für Schritt
abgearbeitet.
Obwohl diese aus dem gemeinsamen Speicher stammen, existiert nur eine einzige Busverbindung zum Speicher.
Die Busverbindung entpuppt sich bei dieser Architektur als Flaschenhals.
Im Zuge einer konsequenten Weiterentwicklung von verbesserter CPU - Modellen versuchten die Hersteller, deshalb
den bekannten Flaschenhals zu erweitern. Dies gelang mit der Entwicklung einer hierarchischen gegliederten
Speicherstruktur, bestehend aus Registern und verschiedenen Cache – Ebenen. Wurde die Befehlsausführung bisher sequenziell
ausgeführt, so wird dies bei den neunen CPU – Generationen weitestgehend parallel erledigt.
Hierzu bestehen mehrere Funktionseinheiten und Ausführungsebenen. Zudem sind weitere Befehle integriert worden, die pro Ausführungszyklus mehrere Datensätze verarbeiten können.
Funktionsblock
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Funktion
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IDU Instruction Decode Unit |
Behfehlsdecoder: Alle eingehenden Befehle, die
den Prozessor als Programm erreichen, werden in einen Mikrocode übersetzt und
an die ausführende Einheit übergeben. |
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EXU Execution
Unit |
Ausführungseinheit: Alle Befehle, die nun im
Mikrocode vorliegen, werden ausgeführt. |
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COL Control
Logic |
Kontrolleinheit: Sie sorgt für einen Kontrolle im
Ablauf der Mikrocodes. |
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BIL Bus
Interface Logic |
Bussteuereinheit: Sie überwacht und steuert den
Bus. |
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ALU Arithmetic
Logic Unit |
Arithmentisch logische
Einheit: Sie ist zuständig für die Ausführung
arithmetischer ( Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division ) und
logischer Rechenoperationen ( UND, ODER, NICHT ). |
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FPU Floating
Point Unit |
Fließkomma – Rechner: Vom Ihm werden Berechnungen mit
Fließkommazahlen durchgeführt. |
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DC Data Cache |
Daten – Cache – Speicher: Er dient als schneller
Datenzwischenspeicher. |
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CC Code Cache |
Befehls – Cache – Speicher: Er dient als schneller
Befehlszwischenspeicher |
Das Steuerwerk ist die mitunter umfangreichste Zusammenfassung unterschiedlicher Funktionsblöcke. Es besteht aus den
verschiedenen Kontrolleinheiten, in denen sämtliche Vorgänge im Computer kontrolliert und gesteuert werden.
Der Befehlsdecoder (IDU – Instruction Decode Unit) ist auf dem Prozessor oft mehrmals in einer parallelen Anordnung vorhanden.
Dies erlaubt eine kürzere Zeitspanne für die Befehlsdurchführung. Auch die Ausführungseinheit (EXU – Execution Unit) ist bei vielen Prozessoren mehrmals vorhanden.
Zum Rechenwerk gehören neben der ALU (Arithmetic Logic Unit) und der FPU (Floating Point Unit) auch Register, in denen Daten zwischengespeichert werden können. Nur mit Hilfe der arithmetisch/logischen Einheit (ALU – Arithmetic Logic Unit) kann der Prozessor Gleichheits- und Ungleichheitsprüfungen sowie Größenbestimmungen durchführen. Nur dann können alle Anweisungen eines Programms abgearbeitet werden.
Die CPU (Central Processing Unit) – im Deutschen als Hauptprozessor bezeichnet – basiert auf der Mikrochiptechnologie. Bei diesem Fertigungsvorgang werden mehrere Millionen Transistoren. steuerbare elektrische Widerstände – auf einem nur wenige
Quadratzentimerter großen Trägermaterial, dem Mikrochip, implantiert. Hiervon leitet sich die Bezeichnung Mikroprozessor ab.
Die Art und Weise, in der die Transistoren auf dem Mikrochip angeordnet sind, ist entscheidend für die Funktion und das
Aufgabengebiet des Prozessors. Um mechanische Belastungen von außen zu vermeiden, werden die Prozessoren gehäust, d.h. in ein Gehäuse aus Keramik eingegossen. Von außen zugänglich Pins (Kontakte) sorgen für den elektrischen Anschluss.
Dieses Prinzip wird in der Halbleitertechnologie als Integrated Circuit (integrierte Schaltung) , IC, bezeichnet.