Prozessor (CPU) - Technik, Takt und Verständnis

Jeder Hardware-Interessierte weiß, dass der Hauptprozessor (im allgemeinen Sprachgebrauch einfach nur Prozessor genannt) das Herzstück in einem PC ist. Der Prozessor steuert alle anderen Komponenten, führt Berechnungen durch, schreibt und liest Daten aus dem Arbeitsspeicher und führt Sprünge in einem Programm aus. Dies sind die zentralen Aufgaben eines Prozessors und ein moderner Prozessor, der all diese Funktionen beinhaltet, wird als Mikroprozessor bezeichnet.

Prozessortechnik

Der Name Prozessor stammt aus dem Lateinischen und steht für "voranschreiten" (lat. procedere: voranschreiten; processor = "Vorwärtsbringer"). Der englische Begriff "to process" (= verarbeiten) beschreibt das Aufgabengebiet eines Prozessors besser, denn der Prozessor verarbeitet Aufgaben (input) und liefert ein Ergebnis (output).

Die einfache Bezeichnung Prozessor ist eigentlich nicht richtig, denn in einem PC gibt es heutzutage viele Prozessoren, welche bestimmte Teilaufgaben übernehmen und somit den Hauptprozessor (CPU = Central Processing Unit) entlasten. Der Hauptprozessor ist zwar eine "eierlegende Wollmilchsau", welcher eigentlich in der Lage ist, alle nötigen Applikationen zu berechnen, doch werden Teilbereiche einfach langsamer durchgeführt, wenn man die CPU die Aufgaben eines bestimmtes Spezialprozessors berechnen lässt.

Prozessortechnik

Das beste Beispiel für einen "Spezialprozessor" ist der Grafikchip (GPU = Graphics Processing Unit), welcher ein selbständiger Prozessor ist, der für das Berechnen von 3D-Anwendungen spezialisiert ist. Da dieser Prozessor lediglich für das Berechnen komplexer 3D-Szenen entwickelt wurde, ist dieser natürlich um Längen schneller als der Hauptprozessor. In einem Test aus dem Jahre 1999, bei dem ein zu dieser Zeit aktuelles High-End-System bestehend aus einem Intel Pentium III 500 Mhz und einer Nvidia TNT 2 eine 3D-Szene berechnet werden musste, zeigte sich der Unterschied zwischen Haupt- und Grafikprozessor: übernahm die Grafikkarte die Berechnungen, so wurden flüssige 25 Frames pro Sekunde dargestellt. Die gleiche Szene allein durch den Hauptprozessor gerendert ergaben knapp über ein Frame! Moderne Grafikchips dürften noch mehr Potential im Vergleich zu aktuellen CPU's haben.

Neben dem Grafikprozessor gibt es aber noch viele weitere Prozessoren in einem PC: da wären zum Beispiel der Sound-, Chipsatz- und Controllerprozessor. Für fast jede Komponente, welche größere Daten verarbeiten muss, gibt es einen eigenen, speziellen Prozessor.

Takt

Viele werden sicherlich wissen, wie sich ein Prozessortakt zusammensetzt. Es gibt einen Front-Side-Bus, welcher der allgemeine Taktgeber im System ist, und es existiert ein Multiplikator, mit dessen Hilfe der Takt des Prozessors eingestellt werden kann. Daraus ergibt sich beispielsweise für den Intel Pentium 4 640 (3200 Mhz) folgende Rechnung:

200 Mhz FSB mal Multiplikator 16 ergibt eine Taktrate von 3200 Mhz

Anmerkung: bei Pentium 4 Prozessoren wird in der Regel ein theoretischer Systemtakt angegeben, da gleich vier Datenpakte pro Takt verarbeitet werden können. Daraus erfolgt ein theoretischer Wert von 4*200 Mhz FSB = 800 Mhz, welcher bei der Produktbeschreibung angegeben wird.

Eine kleine Unterscheidung muss man jedoch machen, denn es gibt einen so genannten externen und internen Takt. Als extern wird die Taktrate verstanden, die der Prozessor sowie der so genannte First-Level-Cache von dem Motherboard bekommt. Wir sprachen hier bereits vom Front-Side-Bus, dem allgemeinen Taktgeber. Die interne Taktfrequenz ist der Arbeitstakt des Prozessors, welcher durch Multiplizieren des externen Takts zustande kommt. Im Prinzip nichts anderes wie kurz zuvor beschrieben, nur die Begrifflichkeiten sind anders.

Soweit zu gut zu den Grundlagen des Prozessortakts, aber was bedeutet eigentlich Takt? Im Grunde genommen basiert ein Prozessor auf einer total simplen Logik, nämlich dem Binärsystem. Das Binärsystem besteht bekanntlich aus Nullen und Einsen bzw. Wahr oder Falsch. Jeder wird bestimmt schon einmal einen so genannten Maschinencode wie "0110101101101..." gesehen haben. Auf diesem einfachen Wahr/Falsch-Prinzip basiert die Technik eines Prozessors.

Um diese Zustände zu erreichen, müssen bestimmte Spannungspegel erzeugt werden, welche das System entweder als 0 oder 1 interpretiert. Ein Prozessortakt ist demzufolge eine Schwingung und je mehr Schwingungen pro Sekunde durchgeführt werden, desto schneller bzw. höher getaktet ist der Prozessor.

Prozessortechnik

Ein Prozessor mit der unglaublichen Taktrate von genau einem Hertz ist in der Lage, genau eine Operation pro Sekunde zu verarbeiten. Das bedeutet, dass die Periode der Schwingung genau eine Sekunde dauert. Würde man den Prozessor nun auf zwei Hertz übertakten, so wäre dieser schon in der Lage, zwei Operationen pro Sekunde zu bewältigen, da die Periode der Schwingung nur noch die Hälfte der Zeit in Anspruch nimmt. Die Schlussfolgerung daraus ist, dass je höher der Prozessor getaktet ist, desto enger werden die "Kurven" in der oben gezeigten Abbildung und desto mehr Wärme enststeht.

 1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde

1 KHz = 1.000 Schwingungen pro Sekunde

1 MHz = 1.000.000 Schwingungen pro Sekunde

1 GHz = 1.000.000.000 Schwingungen pro Sekunde

Um dieses Prinzip etwas zu verdeutlichen, soll folgende Beispielrechung Abhilfe schaffen: Gesucht ist die theoretische Bandbreite des PCI-Busses. Da der PCI-Bus mit 33 Mhz getaktet ist und ein 32-Bit-Interface hat, wissen wir dass man über den PCI-Bus maximal 32 Bits pro Takt übertragen können. Jetzt müssen wir nur wissen, wie viele Schwingungen bzw. Operationen pro Sekunde durchgeführt werden, wenn der Takt 33 Mhz beträgt. Da 33 Mhz 33 Millionen Schwingungen in der Sekunde entsprechen, ist diese Frage schnell beantwortet und wir kommen zu folgendem Ergebnis:

    Berechnen der Bandbreite des PCI-Busses



PCI-Takt = 33 Mhz, Bandbreite = 32 Bit

33 Mhz entsprechen 33.000.000 Schwingungen/Sekunde



--> 33.000.000 * 32 Bit/Sekunde

--> 1.056.000.000 Bit/Sekunde

--> 132.000.000 Byte/Sekunde

--> 128906,25 KB/Sekunde

--> 125,89 MB/Sekunde

Mit dieser einfachen Rechnung kann man den theoretischen Datendurchsatz des PCI-Busses berechnen. Die Besonderheit ist, dass pro Takt gleich 32 Bit übertragen werden, also parallel zum PCI-Takt 32 weitere Operationen vollzogen werden. Hier sieht man auch schon, dass es noch weitere Möglichkeiten gibt, beispielsweise einer CPU mehr Leistung zu verpassen, als lediglich den Prozessortakt anzuheben. Auch die Komplexität der Prozessorarchitektur spielt eine entscheidende Rolle.