Was ist eine CPU?
Eine Zentraleinheit (CPU) ist eine Hardwarekomponente, die die zentrale Recheneinheit in einem Server darstellt. Server und andere intelligente Geräte wandeln Daten in digitale Signale um und führen mathematische Operationen an ihnen durch. Die CPU ist die Hauptkomponente, die die Signale verarbeitet und das Rechnen ermöglicht. Sie fungiert als das Gehirn jedes Computergeräts. Sie ruft Befehle aus dem Speicher ab, führt die erforderlichen Aufgaben aus und sendet die Ausgabe zurück an den Speicher. Sie verarbeitet alle Rechenaufgaben, die für die Ausführung des Betriebssystems und der Anwendungen erforderlich sind.
Wie hat sich die CPU-Technologie im Laufe der Zeit weiterentwickelt?
Die frühesten Computer verwendeten Vakuumröhren für die Verarbeitung. Maschinen wie ENIAC und UNIVAC waren groß und sperrig, verbrauchten viel Strom und erzeugten erhebliche Wärme. Die Erfindung der Transistoren in den späten 1940er Jahren revolutionierte die CPU-Technologie. Transistoren ersetzten Vakuumröhren und machten Computer kleiner, zuverlässiger und energieeffizienter. Mitte der 1960er Jahre wurden integrierte Schaltkreise (ICs) entwickelt, die mehrere Transistoren und andere Komponenten auf einem einzigen Computerchip kombinierten. CPUs wurden noch kleiner und schneller, was zur Entstehung von Mikroprozessoren führte.
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Mikroprozessoren
Mikroprozessoren kombinierten die gesamte CPU auf einem einzigen IC-Chip, was den Umgang mit Computern erleichterte und zur Entwicklung von Personalcomputern (PCs) führte. Anfänglich konnten CPUs 16 bis 32 Bit an Daten gleichzeitig verarbeiten. In den frühen 2000er Jahren kamen 64-Bit-CPUs auf den Markt, die eine größere Speicheradressierung ermöglichten und eine umfangreichere Datenverarbeitung unterstützten.
Mit zunehmender Transistordichte wurde es schwierig, die Leistung von Single-Core-CPUs weiter zu steigern. Stattdessen begannen CPU-Hersteller, Mehrkernprozessorarchitekturen zu verwenden, um mehrere Kerne auf einem einzigen Chip zu integrieren.
Moderne Prozessoren
Mit dem Aufkommen mobiler Geräte ist die Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung geworden. CPU-Hersteller entwickeln jetzt stromsparende und energieeffiziente CPUs für moderne tragbare Geräte wie Smartphones und Tablets.
Mit zunehmender Verbreitung von künstlicher Intelligenz (KI) und grafikintensiven Aufgaben werden heute spezielle CPUs wie Grafikprozessoren (GPUs) und KI-Beschleuniger zur Bewältigung der Workloads eingesetzt.
Kontinuierliche Forschung und Entwicklung in den Bereichen Nanotechnologie und Materialwissenschaft haben den Weg für mikroskopische Transistoren und leistungsstärkere CPUs geebnet. Quantencomputing und andere neue Technologien bergen das Potenzial, die Computerprozessortechnologie weiterzuentwickeln.
Was sind die Komponenten einer CPU?
Eine CPU ist eine komplexe elektronische Schaltung, die aus mehreren Schlüsselkomponenten besteht, die Daten verarbeiten und Anweisungen ausführen. Die Hauptkomponenten einer CPU werden als nächstes angegeben.
Steuereinheit
Die Steuereinheit verwaltet die Befehlsverarbeitung und koordiniert den Datenfluss innerhalb der CPU und zwischen anderen Computerkomponenten. Sie verfügt über eine Befehlsdecoder-Komponente, die die aus dem Speicher abgerufenen Befehle interpretiert und sie in Mikrooperationen umwandelt, die die CPU ausführen kann. Die Steuereinheit weist andere CPU-Komponenten an, die erforderlichen Operationen auszuführen.
Register
Register sind kleine Speicherorte mit hoher Geschwindigkeit innerhalb der CPU. Sie speichern Daten, an denen die CPU gerade arbeitet, und ermöglichen den schnellen Zugriff auf Daten. CPUs haben verschiedene Arten von Registern, z. B.:
- Allzweckregister, die Betriebsdaten speichern
- Befehlsregister, die den aktuell verarbeiteten Befehl speichern
- Einen Programmzähler, der die Speicheradresse des nächsten abzurufenden Befehls speichert
Register bieten schnellere Zugriffszeiten als andere Speicherebenen wie RAM oder Cache-Speicher.
ALU
Die arithmetische Logikeinheit (ALU) führt grundlegende arithmetische Operationen (Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division) und logische Operationen (UND, ODER und NICHT) mit Daten aus. Sie empfängt Daten aus Registern innerhalb der CPU, verarbeitet sie auf der Grundlage der Anweisungen der Steuereinheit und erzeugt das Ergebnis.
Speicherverwaltungseinheit
Abhängig von der CPU-Architektur kann es eine separate Busschnittstelleneinheit oder Speicherverwaltungseinheit geben. Diese Komponenten übernehmen speicherbezogene Aufgaben wie die Verwaltung der CPU- und RAM-Interaktion. Sie verwaltet auch den Cache-Speicher – eine kleine und schnelle Speichereinheit, die sich innerhalb der CPU befindet – und den virtuellen Speicher, den die CPU für die Datenverarbeitung benötigt.
Taktgeber
Die CPU ist auf ein Taktsignal angewiesen, um ihre internen Operationen zu synchronisieren. Der Taktgeber erzeugt einen stetigen Impuls mit einer bestimmten Frequenz, und diese Taktzyklen koordinieren den Betrieb der CPU. Die Taktrate wird in Hertz (Hz) gemessen und bestimmt, wie viele Befehle die CPU pro Sekunde ausführen kann. Moderne CPUs verfügen über variable Taktraten, die sich je nach Workload anpassen, um Leistung und Stromverbrauch in Einklang zu bringen.
Wie funktioniert eine CPU?
Computerprozessoren arbeiten mit anderen Hardwarekomponenten und Softwareprogrammen zusammen, um Daten zu verarbeiten und den Informationsfluss innerhalb elektronischer Geräte zu verwalten. Sie arbeiten typischerweise in Zyklen, wobei jeder Befehlszyklus drei Hauptschritte darstellt.
Core-Prozessor-Zyklus
Die grundlegenden Schritte in einem Befehlszyklus werden als Nächstes beschrieben.
Anweisungsabruf
Die CPU ruft Befehle aus dem Speicher ab. Die Befehle sind Binärcodes, die bestimmte Aufgaben oder Operationen für die CPU darstellen. Die Steuereinheit interpretiert den Befehl und bestimmt die auszuführende Operation. Es identifiziert auch die spezifischen CPU-Komponenten, die für die Aufgabe erforderlich sind.
Anweisungsverarbeitung
Die CPU führt die angegebene Operation mit den abgerufenen Daten aus. Sie führt mathematische Berechnungen, logische Vergleiche, Datenänderungen oder Datentransfers zwischen Registern oder Speicherorten durch.
Ergebnisspeicherung
Nach der Ausführung von Anweisungen muss die CPU möglicherweise die Ergebnisse im Speicher speichern oder bestimmte Register mit den neuen Daten aktualisieren. Der Programmzähler (PC) wird aktualisiert, sodass er auf die Adresse des nächsten abzurufenden Befehls verweist. Die CPU wiederholt den Zyklus und ruft Befehle nacheinander ab, dekodiert und führt sie aus.
Weitere Prozessorfunktionen
Die CPU kann auch Kontrollflussanweisungen wie Sprünge und Verzweigungen sowie Unterbrechungen, von externen Geräten generierte Signale oder Ereignisse verarbeiten, die sofortige Aufmerksamkeit erfordern. Wenn eine Unterbrechung auftritt, unterbricht die CPU die aktuelle Aufgabe vorübergehend, speichert ihren Status und wechselt zu einer Unterbrechungsserviceroutine. Nach der Verarbeitung der Unterbrechung nimmt die CPU die vorherige Aufgabe wieder auf.
Moderne CPUs verwenden häufig Techniken wie Parallelität und Befehlspipelining, um die Leistung zu verbessern. Mehrere Befehle können sich gleichzeitig in verschiedenen Zyklusphasen befinden, was eine effizientere Nutzung der CPU-Ressourcen ermöglicht.
Was sind einige erweiterte CPU-Funktionen?
Die beste CPU zeichnet sich durch Leistung, Effizienz und Flexibilität aus und ermöglicht es ihr, eine Vielzahl von Datenverarbeitungsaufgaben effektiv zu bewältigen. Als nächstes stellen wir einige erweiterte Funktionen vor.
Kerne
Während in der Vergangenheit ein Single-Core-Prozessor Standard war, verfügen heute alle CPUs über mehrere physische Kerne. Ein Kern ist eine einzelne Verarbeitungseinheit innerhalb einer CPU. Mehr Kerne ermöglichen es der CPU, mehrere Threads (Befehlssequenzen) parallel zu verarbeiten, wodurch die Gesamtleistung erheblich verbessert wird. Anwendungen können das Multicore-Design nutzen, indem sie Aufgaben in kleinere Unteraufgaben aufteilen, die gleichzeitig erledigt werden können.
Hyperthreading
Hyperthreading ist eine von Intel entwickelte simultane Multithreading-Implementierung, die es jedem CPU-Kern ermöglicht, mehrere Threads gleichzeitig auszuführen. Dadurch kann jeder physische Kern im Betriebssystem als zwei virtuelle Kerne angezeigt werden. Die Software nutzt verfügbare Hardwareressourcen effizienter.
Erweiterte Befehlssätze
Moderne CPUs verfügen auch über fortschrittliche Befehlssätze und Technologien, mit denen bestimmte Aufgaben beschleunigt werden können. Diese Befehlssätze gehen über die grundlegenden arithmetischen und logischen Operationen hinaus und bieten zusätzliche Funktionen, um komplexe Berechnungen effizienter zu handhaben.
CPUs können beispielsweise Befehlssätze enthalten, die speziell für diese Aufgaben vorgesehen sind:
- Multimediaaufgaben wie Videodekodierung, Audiokodierung und Bildverarbeitung.
- Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsalgorithmen wie Advanced Encryption Standard (AES) und Secure Hash Algorithm (SHA).
- SIMD-Aufgaben (Single Instruction, multiple Data), bei denen die CPU dieselbe Operation an großen Datensätzen gleichzeitig ausführen muss. Dies sind Aufgaben wie Grafik-Rendering, wissenschaftliche Simulationen und digitale Signalverarbeitung.
- Virtualisierung, sodass virtuelle Maschinen (VMs) effizienter laufen können.
- KI-Workloads wie neuronale Netzwerkoperationen.
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