Die Zentraleinheit
Was ist ein Computer ?
Die Zentraleinheit
In diesem Abschnitt werden die Bestandteile der Zentraleinheit von Personal Computern näher beschrieben. Die Zentraleinheit besteht bei einem modernen PC im Wesentlichen aus den Komponenten der Hauptplatine, die auch Mainboard oder Motherboard genannt wird. Im Einzelnen gehören die folgenden wesentlichen Bestandteile dazu:
Der Mikroprozessor (Central Processing Unit oder CPU) ist das eigentliche Herzstück des Computers, das für die Ausführung der Programme sowie für die zentrale Steuerung und Verwaltung der Hardware zuständig ist. Die meisten Desktop-PCs besitzen nur einen Mikroprozessor, maximal sind es in diesem Bereich zwei. Highend-Workstations, beispielsweise für professionelle 3-D-Grafik, sowie leistungsfähige Serverrechner haben dagegen oft zwei, vier, acht oder noch mehr parallel arbeitende Prozessoren. Wichtig ist in diesem Fall, dass das verwendete Betriebssystem und die Anwendungsprogramme die Verteilung der Arbeit auf mehrere Prozessoren überhaupt unterstützen.
Der Arbeitsspeicher (das Random Access Memory, kurz RAM) enthält während der Laufzeit die Programme, die gerade ausgeführt werden, sowie die von ihnen verwendeten Daten. Die meisten modernen Betriebssysteme unterstützen die virtuelle Speicheradressierung, die die von Programmen verwendeten Speicheradressen von den physikalischen Adressen abstrahiert und auf diese Weise das Auslagern nicht benötigter Inhalte auf die Festplatte ermöglicht.
Der ROM-Speicher (für Read-only Memory, also Nur-Lese-Speicher) ist bei modernen PCs nicht mehr so wichtig wie früher. Statt des gesamten Betriebssystems und anderer Programme enthält es heutzutage in der Regel nicht viel mehr als ein Programm, das beim Einschalten die wichtigsten Hardwarekomponenten überprüft und dann das Booten des Betriebssystems von einem Datenträger in Gang setzt. Dieses Progamm wird bei Intel-PCs BIOS genannt; beim Macintosh heißt es aus traditionellen Gründen einfach ROM.
Bei 80er-Jahre-Heimcomputern war das ROM erheblich wichtiger: Fast alle hatten ein einfaches Betriebssystem sowie einen Editor und einen Interpreter für die Programmiersprache BASIC fest im ROM eingebaut. Der Vorteil solcher Systeme war, dass sie unmittelbar nach dem Einschalten verfügbar waren. Der Nachteil bestand natürlich darin, dass es kaum möglich war, ein anderes Betriebssystem zu verwenden als das eingebaute.
Fest ins ROM eingebaute Betriebssysteme oder Anwendungsprogramme besitzen heute nur noch Spezialcomputer: kleine, leicht konfigurierbare Router-Boxen, Industrie-PCs, die aufgrund der unwirtlichen Umgebung ohne mechanische Teile auskommen müssen, oder auch die weit verbreiteten Embedded Systems, also die eingebauten Computer in Automotoren, Spülmaschinen oder Produktionsanlagen.
Der Chipsatz (englisch chipset) ist in der Regel fest auf der Mainboard verlötet. Es handelt sich um eine Gruppe von Schaltkreisen, die spezielle Steuerungsaufgaben übernehmen. Sie enthalten vor allem die Steuerfunktionen für sämtliche Anschlüsse, die die Mainboard zu bieten hat. Die Qualität der unterschiedlichen Chipsätze hat einen erheblichen Einfluss auf die Performance eines Rechners.
Die verschiedenen Busse und Schnittstellen dienen zum einen der Kommunikation zwischen den Bestandteilen der Mainboard, zum anderen dem Anschluss aller Arten von Peripheriekomponenten, angefangen bei den diversen Steckkarten wie Sound-, Grafik- oder Netzwerkkarten über verschiedene Arten von Laufwerken bis hin zu Druckern, Scannern oder Digitalkameras.
Bitte beachten Sie, dass die auf vielen Mainboards enthaltenen Onboard-Komponenten, also die fest verlöteten Grafik-, Sound- oder Netzwerkchips, formal kein Bestandteil der Zentraleinheit sind; sie gehören trotz ihrer Unterbringung auf der Hauptplatine zur Peripherie.
Im Übrigen kann es vorkommen, dass in älterer Literatur die Begriffe »Zentraleinheit« und »Central Processing Unit« (CPU) synonym gebraucht werden; laut einer solchen Begriffsverwendung besteht diese »CPU« aus Mikroprozessor und Arbeitsspeicher. Der Fehler kommt zustande, weil die Autoren die Verhältnisse bei Großrechenanlagen der 60er- und 70er-Jahre vor Augen hatten. Diese Geräte besaßen noch keine Mikroprozessoren, das Rechenwerk und der Arbeitsspeicher (core) ließen sich tatsächlich nicht ohne weiteres voneinander trennen. Ärgerlich ist an diesem Fehler vor allem, dass er als »Wissen« für IHK-Prüfungen verlangt wurde. Besonders in EDV-Kursen für kaufmännische Berufe war er noch in der zweiten Hälfte der 90er-Jahre verbreitet.
Aufbau und Aufgaben des Prozessors
Aufbau und Aufgaben des Prozessors
Mikroprozessoren sind komplexe integrierte Schaltkreise, die anfangs aus einigen Tausend Transistoren bestanden. Heute setzen sie sich sogar aus mehreren Millionen Transistoren zusammen, sind aber nicht viel größer als die ursprünglichen Prozessoren: Wegen des Fortschritts der fotolithografischen Verfahren, mit denen die Schaltungen auf die Siliziumscheiben aufgebracht werden, wird die Integrationsdichte immer höher.
Die CPU als Bauteil
Der Mikroprozessor wird auf die Hauptplatine aufgesteckt. Es gibt zahlreiche verschiedene Bauformen und Prozessorsockel, die sich im Laufe der Jahre stark verändert haben. Selbst innerhalb der Welt der Intel-kompatiblen PCs passt bei weitem nicht jeder Prozessor auf jede Mainboard.
Bis zum Pentium Pro steckten alle Intel-Prozessoren waagerecht in einem Sockel; sie waren rechteckig (bis zum 386er-Prozessor) und später quadratisch und besaßen unterschiedliche Anzahlen von Pins (Anschlüssen). Der Pentium II, die ersten Pentium III-Modelle und manche ältere AMD-Athlon-CPUs waren erheblich größer und wurden senkrecht in einen Slot gesteckt. Das liegt daran, dass bei diesen Prozessoren erstmals der weiter unten besprochene Level-2-Cache, ein schneller Zwischenspeicher, in das Prozessorgehäuse integriert wurde.
Da die Integrationsdichte der Transistoren auf dem Prozessor jedoch immer noch weiter gesteigert werden konnte, gelang es, spätere Pentium-III-Modelle, den Pentium 4 und den AMD Athlon XP mitsamt L2-Cache wieder in die klassische Sockelform zu bringen, die weniger Strom verbraucht und besser zu kühlen ist.
Technischer Überblick
Schematisch gesehen besitzt ein Mikroprozessor die folgenden Bestandteile:
Die ALU (Arithmetic-Logical Unit oder zu deutsch Arithmetisch-logische Einheit) ist die moderne Verwirklichung eines Rechenwerks. Dieser Teil des Prozessors führt mathematische Operationen und logische Verknüpfungen durch. Heutige Prozessoren besitzen in der Regel getrennte ALUs oder ALU-Teile für ganzzahlige Operationen und für Fließkomma-Operationen. Bei früheren Prozessoren mussten die Fließkomma-Operationen durch komplexe Ganzzahlberechnungen simuliert werden; später verwendete man externe Fließkomma-Einheiten, die als arithmetische Koprozessoren bezeichnet wurden.
Bei den Intel-Prozessoren besaß erst der 486 DX eine eingebaute Fließkommaeinheit, das Vorgängermodell 486 SX konnte optional durch den Koprozessor 487 ergänzt werden. Dieses Verfahren verwendete Intel bereits seit dem 8086-Prozessor und dem separat erhältlichen Koprozessor 8087.
Die Register sind einzelne, spezialisierte Speicherstellen innerhalb des Prozessorkerns. Die ALU rechnet vor allem mit Werten, die innerhalb der Register abgelegt sind. Verwechseln Sie die Register nicht mit Arbeitsspeicher; ein typischer Prozessor besitzt nur relativ wenige von ihnen (zum Beispiel 32 Stück) und verwendet sie nicht zur längerfristigen Ablage von Informationen.
Das Steuerwerk übernimmt die Kontrolle über die Ausführung des Programmcodes und initiiert andere Steuerungsfunktionen. Der Befehlszeiger, ein spezielles Register, verweist auf die Speicheradresse, aus der der nächste Programmbefehl gelesen wird. Bei einem Sprung im Programm muss der Befehlszeiger auf die richtige neue Adresse gesetzt werden. Ein weiteres Register, das vom Steuerwerk verwaltet wird, ist der weiter unten erläuterte Stack-Zeiger.
Heutzutage sind Steuerwerke recht komplizierte Bauteile, weil bereits auf Prozessorebene Unterstützung für die abwechselnde, gleichzeitige Ausführung mehrerer Prozesse (Multitasking) eingebaut ist. Aus diesem Grund genügt es nicht, dass das Steuerwerk sich um den Gang eines linear ablaufenden, höchstens durch Sprünge verzweigenden Programms kümmert, sondern es muss in Zusammenarbeit mit Mechanismen des Betriebssystems dafür sorgen, dass ein sauberer Wechsel zwischen den verschiedenen Prozessen stattfinden.
Die Befehlstabelle (Instruction Table) ermöglicht die Decodierung der verschiedenen Maschinenbefehle in einem Computerprogramm: Jeder Befehl, der aus dem laufenden Programm gelesen wird, besitzt einen bestimmten numerischen Wert. Je nach Befehlsnummer werden unterschiedliche Schaltungen aktiviert, die für ein bestimmtes Verhalten des Prozessors sorgen.
Über verschiedene Busse (Datenleitungen) ist der Prozessor mit der Außenwelt, also mit den anderen Komponenten
Impressum
Verlag: BookRix GmbH & Co. KG
Tag der Veröffentlichung: 17.05.2017
ISBN: 978-3-7438-1280-2
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