Der Prozessor bzw CPUist zweifellos die wichtigste Komponente Ihres Computers und für die Bewältigung komplexer Aufgaben verantwortlich. Es ist jedoch von Spezifikationen umgeben, die für viele Benutzer überfordernd sein können. Um diese Komplexität zu entmystifizieren, haben wir einen ausführlichen Leitfaden erstellt, der Ihnen hilft, diese wesentliche Komponente mühelos zu verstehen.
Ein Prozessor ist ein Wunderwerk des wissenschaftlichen Fortschritts, doch seine Komplexität lässt ihn für die meisten Menschen wie Magie erscheinen. Darüber hinaus sind moderne Prozessoren noch komplexer geworden: Die heutigen Modelle sind etwa 1000-mal komplexer als die aus den 90er-Jahren und millionenfach ausgefeilter als die frühen Personal-Computing-Tage.
Unser Ziel ist es nicht, uns mit den neuesten und komplexesten Prozessoren zu befassen, sondern die Grundlagen zu erklären, die allen gemeinsam sind. Wir werden bestimmte Akronyme und Konzepte behandeln, die häufig mit Prozessoren in Verbindung gebracht werden, und sie in leicht verständliche Begriffe aufschlüsseln.
Schnittstelle zu Peripheriegeräten
Eine wichtige Rolle der CPU ist die Kommunikation mit verschiedenen Peripheriegeräten, einschließlich Tastatur, Maus und Bildschirm. Dies wird durch eine Reihe von Schnittstellen und externen Komponenten erreicht, die eine reibungslose Kommunikation ermöglichen. Darüber hinaus ist der Prozessor mit Interrupt-Mechanismen ausgestattet, die es ihm ermöglichen, seine aktuellen Aufgaben vorübergehend anzuhalten, um auf einfache Anforderungen wie das Bewegen der Maus oder das Drücken einer Taste auf der Tastatur zu reagieren. Das Verständnis dieser grundlegenden Elemente wird Ihnen helfen, die Zentraleinheit Ihres Computers besser zu verstehen.
Die Spezifikationen eines Computerprozessors verstehen
Beim Durchsuchen von Webseiten zum Kauf von Prozessoren oder beim Überprüfen der Computerspezifikationen kann eine Vielzahl von Akronymen und Fachbegriffen überwältigend sein, insbesondere für diejenigen, die keine Erfahrung auf diesem Gebiet haben. Machen Sie sich keine Sorgen und fühlen Sie sich nicht entmutigt. du bist nicht allein. Selbst der Autor dieses Textes hat keine Kenntnisse in Mechanik und konnte nicht zwischen einem Dieselmotor und einem Benzinmotor unterscheiden. Im Ernst, hier ist keine Übertreibung! Daher habe ich vollkommenes Verständnis für die Benutzer, die ein Pokerface aufsetzen, wenn sie mit Prozessorspezifikationen konfrontiert werden.
Wie viele Kerne hat ein Prozessor?
Ein Prozessorkern ist im Wesentlichen ein Prozessor selbst. In modernen Prozessoren sind mehrere Kerne auf einem Chip integriert. Obwohl wir physisch über einen Chip verfügen, der alle diese Kerne enthält, bezeichnen wir sie oft einzeln als Prozessoren oder CPUs, daher der singuläre Name.
In der Vergangenheit wurden Leistungssteigerungen dadurch erreicht, dass die Taktrate des Prozessors mit einem einzelnen Kern erhöht wurde. Dieser Ansatz stieß jedoch irgendwann an seine Grenzen und die Lösung bestand darin, mehrere Kerne zu integrieren, um die Leistung weiter zu steigern. Jeder Kern kann mit einem einzelnen Arbeiter verglichen werden, der mit den anderen zusammenarbeitet und so gemeinsam die Fähigkeiten des Prozessors steigert. Ein 8-Kern-Prozessor bedeutet also, dass 8 einzelne Prozessoren gemeinsam auf einem Chip arbeiten.
Mehr Kerne bedeuten einen leistungsstärkeren Prozessor, erhöhen aber auch die Kosten. Mit fortschreitender Technologie erleben wir die kontinuierliche Entwicklung von Multi-Core-Prozessoren, die die Rechenleistung auf ein neues Niveau heben, wenn auch zu unterschiedlichen Preisen je nach Anzahl der Kerne.
Was bedeutet es für einen Prozessor, Multithreading zu betreiben?
Ein Ausführungsthread bezieht sich auf ein Programm, das der Prozessor ausführen muss, im Wesentlichen auf eine Reihe von Anweisungen, die seine Aktionen steuern. In einer idealen Welt würde dieser Prozess reibungslos ablaufen, aber die Realität sieht oft anders aus, und manchmal bricht ein Programm aufgrund unzureichender Informationen vorübergehend ab, was zu sogenannten „Blasen“ führt.
Das Konzept des Multithreading zielt darauf ab, die Prozessoreffizienz zu steigern, indem es ihm ermöglicht, ein anderes Programm oder einen anderen Thread auszuführen, während er auf die Wiederaufnahme des ersten Prozesses wartet. Dies bedeutet, dass die CPU während Blasenperioden produktiv bleibt und durch die Duplizierung eines erheblichen Teils der Prozessorschaltungen effektiv einen zweiten Kern simuliert. Es entsteht die Illusion eines virtuellen zweiten Kerns, hauptsächlich durch die Steuereinheit, jedoch nicht eines vollständigen zweiten Kerns an sich.
Zur Veranschaulichung: Eine 16-Kern-CPU mit nur einem einzigen Ausführungsthread kann eine 8-Kern-CPU mit 16 Ausführungsthreads übertreffen. Der Schlüssel liegt in der Maximierung des CPU-Potenzials im Leerlauf und in der Steigerung der Gesamtleistung. Multithreading bietet einen genialen Ansatz zur Optimierung der Prozessorkapazitäten und steigert die Rechenleistung auf ein höheres Niveau.
Was ist die Basistaktrate?
Unter Taktgeschwindigkeit versteht man die Zeit, die alle internen Komponenten eines Prozessors benötigen, um einen Grundvorgang abzuschließen. Stellen wir uns ein Szenario vor, in dem wir nur eine Bewegung im Takt eines konstanten Signals ausführen können, genau wie in einem Kinderspiel, bei dem wir uns bei jedem Klatschen bewegen. In einem Prozessor funktionieren die internen Komponenten ähnlich und synchronisieren ihre Abläufe nach einem bestimmten Rhythmus.
Bei modernen Prozessoren wird die Taktfrequenz in GHz gemessen, was einer Milliarde Hz entspricht. Diese Messung wird für Marketingzwecke verwendet, da sie einen besseren Bezug zu Menschen hat. Wenn man beispielsweise sagt, dass eine CPU eine Taktrate von 4 GHz hat, ist das einfacher und weist auf eine höhere Leistung im Vergleich zu einer CPU mit 3.8 GHz hin. Die Verwendung von Zeiteinheiten wie Sekunden oder Minuten könnte zu Verwirrung führen und für Endbenutzer weniger intuitiv sein.
Wenn wir von der Basistaktrate sprechen, meinen wir darüber hinaus die Geschwindigkeit, mit der der Prozessor hauptsächlich arbeitet. Allerdings können Prozessoren ihre Taktraten je nach Arbeitslast anpassen und so eine dynamische Leistungsoptimierung ermöglichen. Die Taktrate spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Gesamtleistung eines Prozessors, und das Verständnis ihrer Bedeutung hilft Benutzern, fundierte Entscheidungen bei der Auswahl der Hardware zu treffen.
Was ist Boost- oder Turbo-Taktrate?
Neuere Prozessoren sind häufig mit einer Funktion namens „Boost“ oder „Turbo-Geschwindigkeit“ ausgestattet, die eine zweite Taktrate darstellt, die der Prozessor erreichen kann, und die deutlich schneller ist. Diese höhere Geschwindigkeit hat jedoch ihren Preis: einen höheren Stromverbrauch und höhere Chiptemperaturen. Folglich kann der Prozessor diese erhöhte Geschwindigkeit nur für kurze Zeit aufrechterhalten, bevor er wieder seine ursprüngliche Geschwindigkeit erreicht.
Der Boost- oder Turbo-Modus wird typischerweise bei anspruchsvollen Aufgaben aktiviert, wenn der Prozessor viel Arbeit zu bewältigen hat. Dadurch kann der Chip die Arbeitslast schnell bewältigen und dann zur Standardgeschwindigkeit zurückkehren, was dazu beiträgt, Leistung und Effizienz in Einklang zu bringen. Es ist wie ein vorübergehender Energiestoß zur Bewältigung schwerer Aufgaben, der optimale Leistung gewährleistet, ohne die allgemeine Stabilität und Zuverlässigkeit des Prozessors zu beeinträchtigen.
Was ist der Sockel eines Prozessors?
Der Prozessorsockel dient als Anschlusspunkt für den Prozessor Hauptplatineund stellt alle notwendigen Verbindungen zur Stromversorgung und Kommunikation mit anderen Computerkomponenten bereit. Es ermöglicht dem Prozessor, mit der Grafikkarte zu interagieren, RAM Speicher, Speichereinheiten (SSD oder Festplatte) und diverse Peripheriegeräte.
Es ist wichtig zu beachten, dass Prozessorsockel nicht universell sind und jede Generation und Marke von Prozessoren ihren eigenen einzigartigen Sockel hat. Folglich kann beim Kauf eines Prozessors dieser nur auf Mainboards verwendet werden, die über einen passenden Sockel verfügen. Mit anderen Worten: Jeder Prozessor hat seinen bevorzugten Partner. Wenn man also einen benutzerdefinierten Computer baut, muss man ein kompatibles Motherboard für die ausgewählte CPU auswählen.
Diese Unterscheidung gilt jedoch nicht für Laptops. Bei Laptops ist der Prozessor ohne Wechselsockel direkt auf dem Mainboard verlötet. Laptops werden in der Regel als integrierte Einheiten und nicht als einzelne Komponenten verkauft, da sie vom Hersteller vormontiert geliefert werden. Daher gibt es bei Laptops keine Möglichkeit, den Prozessor separat auszutauschen, wie dies bei einem Desktop-Computer der Fall wäre.
Was ist der Prozessor in einem PC?
Ein Prozessor, auch CPU (Central Processing Unit) genannt, ist der wichtigste Chip in unseren Computern oder PCs. Seine Hauptfunktion besteht darin, Programme auszuführen und Benutzerinteraktionen mit ihnen zu steuern. Der Begriff „Prozessor“ hat seinen Ursprung in seiner Rolle bei der Verarbeitung von Programmanweisungen, die im Binärcode mit den Werten 0 und 1 ausgedrückt werden und es uns ermöglichen, mit verschiedenen Anwendungen zu interagieren, während wir einen Computer verwenden.
Heutzutage stellt die CPU ein außerordentlich komplexes Stück Ingenieurskunst dar, das aus Milliarden grundlegender Strukturen besteht, die als Transistoren bekannt sind. Mit fortschreitender Technologie werden diese Transistoren immer kleiner und komplexer, was zu erheblichen Verbesserungen der CPU-Leistung führt. Die Entwicklung hat die Integration verschiedener Funktionalitäten, wie etwa des Speichercontrollers, in den Prozessor ermöglicht, eine Leistung, die bei frühen CPUs aus den 1980er Jahren, die weniger als 100,000 Transistoren enthielten, undenkbar war. Heutzutage weisen CPUs eine erstaunliche Komplexität auf, einige enthalten nach vier Jahrzehnten der Weiterentwicklung bis zu 10,000,000,000 Transistoren.
Angesichts der außergewöhnlichen Komplexität moderner Prozessoren ist es wichtig, ihre grundlegendsten Komponenten zu verstehen – die Aspekte, die alle CPUs gemeinsam haben, von den ersten Modellen Mitte der 70er Jahre bis zu den neuesten Kraftpaketen, die in Hochleistungs-Gaming-PCs verwendet werden.
Grundlegende Anatomie eines Prozessors
Zunächst einmal ist es wichtig zu verstehen, dass ein Prozessor wie eine Maschine arbeitet und eine wiederkehrende Aufgabe ausführt, die als Befehlszyklus bezeichnet wird. Der Einfachheit halber finden Sie hier eine grundlegende Beschreibung des Zyklus:
1. Der Prozessor holt eine Anweisung. (Bringen)
2. Die Anweisung wird dekodiert, um ihre Bedeutung zu verstehen. (Dekodierung)
3. Der Prozessor führt den dekodierten Befehl aus und erzeugt ein Ergebnis. (Ausführen)
4. Der Zyklus wiederholt sich und kehrt für die nächste Anweisung zu Schritt 1 zurück.
Dieser rekursive Prozess findet in allen CPUs statt, von den allerersten CPUs bis hin zu den neuesten heute verfügbaren Modellen. Wenn man sich jedoch nur mit diesem Aspekt beschäftigt, kann man möglicherweise nicht vollständig verstehen, was ein Prozessor wirklich ist. Daher geben wir nun einen kurzen Überblick über die verschiedenen Komponenten, aus denen ein Prozessor besteht, damit Sie seine Gesamtfunktionalität besser verstehen.
Holen
Es ist wichtig zu erkennen, dass ein Prozessor nicht ohne den entsprechenden RAM-Speicher funktionieren kann, der eine weitere wesentliche Komponente eines Computers ist und sich normalerweise auf einem separaten Chip befindet. Daher ist eine der ersten Komponenten, die wir zum Zusammenbau unseres Computers benötigen, eine Schnittstelle zum externen Speicher, die es dem Prozessor ermöglicht, auf den gespeicherten Binärcode zuzugreifen und ihn auszuführen.
Der RAM-Speicher ist strukturiert organisiert und um die reibungslose Ausführung von Programmen zu ermöglichen, benötigen wir eine Komponente namens Programmzähler. Dieser Zähler spielt eine entscheidende Rolle dabei, den Prozessor zum nächsten Befehl zu führen, der ausgeführt werden muss. Dies ist besonders wichtig, da Programme häufig bedingte Sprünge enthalten, die dazu führen, dass der Prozessor aufgrund bestimmter Bedingungen an eine andere Stelle im Speicher wechselt. Der Programmzähler stellt sicher, dass der Prozessor die richtige Befehlssequenz befolgt und diese Sprünge effizient verarbeitet.
Dekodieren
Die zuvor besprochenen Elemente ermöglichen es uns, Anweisungen aus dem RAM abzurufen, diese Anweisungen sind jedoch auf eine bestimmte Weise codiert, nicht nur im Binärformat, sondern auch in Bezug auf ihre Interpretation. Um eine Parallele zu ziehen, stellen Sie sich zwei Personen vor, die mit demselben Alphabet vertraut sind, beispielsweise einen Franzosen und einen Deutschen. Sie erkennen vielleicht die Buchstaben, aber sie werden die Sprache, die der andere schreibt, nicht verstehen. In der Welt der Prozessoren bezeichnen wir die für jede Prozessorfamilie spezifische Sprache oder den Dialekt als ISA (Instruction Set Architecture) zusammen mit ihrem Befehls- und Registersatz.
Um mit der Ausführung fortzufahren, benötigen wir daher eine Einheit, die in der Lage ist, diese Anweisungen zu entschlüsseln. Diese Komponente trägt den treffenden Namen „Decoder“ und ermöglicht es dem Prozessor, die Art der Anweisung zu erkennen, die er ausführen muss. Sobald der Prozessor identifiziert ist, muss er die Anweisung lediglich an die entsprechende Ausführungseinheit senden, die für die Lösung verantwortlich ist. Diese Aufgabe wird durch die „Versandeinheit“ erleichtert, die den Ausführungsprozess effizient verwaltet.
Ausführen
Im Laufe der Geschichte der Computerarchitektur wurde der Begriff ALU (Arithmetic Logic Unit) häufig zur Bezeichnung von Ausführungseinheiten verwendet. Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass die ALU nur eine Art von Ausführungseinheit ist und es verschiedene andere Typen gibt. Schauen wir uns einige dieser Ausführungseinheiten genauer an:
1. Lade-/Speichereinheit: Diese Einheit verwaltet Speicherzugriffsanweisungen und ist für das Abrufen von Daten (Lesen) aus dem Speicher oder das Aktualisieren von Daten (Schreiben) im Speicher verantwortlich.
2. Verzweigungseinheit: Die Verzweigungseinheit steuert den Codefluss durch die Verarbeitung von Sprunganweisungen. Seine Hauptaufgabe besteht darin, den Wert zu ändern, der den Programmzähler speichert, und den Prozessor auf der Grundlage von Bedingungen zum entsprechenden Befehl zu leiten.
3. ALU (Arithmetic Logic Unit): Die ALU hat die Aufgabe, mathematische Berechnungen auszuführen. Es gibt verschiedene Arten von ALUs, von solchen, die ganze Zahlen oder Dezimalzahlen verarbeiten, bis hin zu solchen, die den gleichen Befehl für mehrere Zahlen gleichzeitig ausführen können. Der letztere Typ ist als SIMD-Einheit (Single Instruction, Multiple Data) bekannt.
Diese verschiedenen Ausführungseinheiten arbeiten harmonisch zusammen und ermöglichen es Prozessoren, ein breites Spektrum an Operationen und Berechnungen durchzuführen, die für effizientes Funktionieren und Leistung bei modernen Computeraufgaben unerlässlich sind.
Speicher im Prozessor
Im Inneren des Prozessors finden wir eine Reihe von Speichern zur vorübergehenden Speicherung von Daten. Dies dient dazu, den RAM-Speicher zu entlasten und zu verhindern, dass der Prozessor durch übermäßige Anfragen blockiert wird, was das System sonst erheblich verlangsamen würde.
Es gibt zwei Haupttypen von internem Speicher in einer CPU:
1. Cache-Speicher: Seine Hauptaufgabe besteht darin, einen Teil des RAM zu speichern, sodass der Prozessor viel schneller auf den auszuführenden Code zugreifen kann. Durch die Speicherung häufig verwendeter Daten in der Nähe des Prozessors steigert der Cache-Speicher dessen Effizienz erheblich.
2. Register: Dies sind extrem kleine, aber schnelle Speicher, die von verschiedenen Komponenten des Prozessors verwendet werden, um die in diesem Artikel erwähnten rekursiven Aufgaben auszuführen. Register spielen eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung von Berechnungen und Datenverarbeitung innerhalb der CPU.
Wenn Sie diese grundlegenden Konzepte verstehen, erhalten Sie grundlegende Kenntnisse darüber, wie die CPU Ihres Systems funktioniert. Diese internen Speicher spielen eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Prozessorleistung und der gesamten Systemreaktionsfähigkeit.
