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Der Prozessor

Funktionsweise - hier werden einige wichtige technische Begriffe erklärt.


Autor: Jakob Walter (Xabbel)
Datum: 20-02-2003, 22:19:29
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Die Stromversorgung

Jeder Prozessor benötigt Strom für seine Arbeit. Bei modernen Prozessoren unterscheidet man zwei Spannungsarten:

I/O Spannung
Diese Spannung benutzt der Prozessor um seine kompletten I/O-Funktionen zu bearbeiten. Sie wird von der Hauptplatine bereitgestellt und muss auf den exakt von der CPU benötigten Wert eingestellt werden.

Core-Spannung
Die Spannung, die der Prozessor-Kern (der eigentliche Prozessor) benutzt, um seine internen Aufgaben zu erfüllen. Seit dem Intel Pentium MMX bzw. AMD K6 und Cyrix 6x86 MX unterscheidet sich diese Spannung von der I/O Spannung. Im Regelfall fällt bei aktuellen Prozessoren die Core-Spannung wesentlich geringer aus als die I/O Spannung, was u.a an der durch die geringere Spannung geringeren Wärmeentwicklung liegt.

Taktung

Die Taktung eines Prozessors ist vergleichbar mit der PS-Zahl eines Autos: je mehr MHz ein Prozessor hat desto schneller ist er. Es ist jedoch auch stark von der Anwendung abhängig, sodass mehr Mhz nicht gleich schnellere Leistung erbringt. Die Benchmark-Ergebnisse können je nach Architektur des Prozessors bei selber Geschwindigkeit vollkommen unterschiedlich sein. Für einen Prozessor wichtige Takt ist der Core-Takt.

Core-Takt

Während der Bustakt (also der Takt mit welchem das Motheboard und der Arbeitsspeicher getaktet ist) bei 100 Mhz und bei neuen Boards gar bei 133Mhz, oder darüber liegt, arbeiten moderne CPU`s mit einem vielfachen dieses Taktes. Der Multiplikator, mit dem der Bustakt multipliziert wird, ist entweder in der CPU fest verdratet oder muss am Motherboard per Jumper oder Switch eingestellt werden. Als Beispiel muss für einen Duron 700Mhz auf einem Board mit 100Mhz ein Multiplikator von 7 eingestellt werden, um laut Spezifikationen zu laufen. Bei den modernen Motherboards verlagert sich diese manuelle Einstellung (Jumper oder Switch) des Bustaktes oder auch des Multiplikators immer mehr ins Bios. Im Bios gibt es dann meist Einstellmöglichkeiten welche man auf Auto - automatische Erkennung - stellen kann oder "gezwungen" eine Wert zuweist.

Speicher

Auch ein Prozessor ist auf die schnelle Speicherung seiner Daten angewiesen, da er sich eventuelle Zwischenergebnisse etc. merken muss. Damit er sich seine Daten nicht immer aus dem vergleichbar langsamen Hauptspeicher holen muss, besitzt er mehrstufige Zwischenspeicher auch Register genannt.

Register

In den Registern kann der Prozessor Zwischenergebnisse speichern, diese Register liegen je nach Chip in verschiedener Anzahl vor, sie werden unterteilt in Adress- und Datenregister. In den Adressregistern werden (Speicher-) Adressen zwischen gespeichert, in den Datenregistern Daten für Berechnungen etc. Diese Register sind sehr schnell.

Level 1 Cache oder First Level Cache

Im Cache eines Prozessors werden Daten zwischen gespeichert, auf die der Prozessor wiederholt zugreifen muss. Diese Daten können entweder richtige Daten sein, oder auch Programmcode, der wiederholt abgearbeitet werden muss (z.B. Schleifen). Aufgrund dieser Trennung liegt der Level 1 Cache meist zweigeteilt vor, ein Cache für Daten, ein Cache für Programmcode. Der Level 1 Cache wird mit vollem Core Takt betrieben. Daher ist er extrem schnell. Aufgrund dieser Schnelligkeit wirkt sich die Größe des Level 1 Cache direkt auf die Performance einer CPU aus.

Level 2 Cache oder Second Level Cache

Der Level 2 Cache ist die zweite Stufe des Caches, er ist zwar langsamer als der L1 Cache des Prozessors, aber immer noch deutlich schneller als der Hauptspeicher. Er ist wesentlich größer als der Level 1 Cache. Auch in ihm werden häufig benötigte Daten zwischengespeichert. Ohne Level 2 Cache ist ein Prozessor um einiges langsamer als mit diesem schnellen Zwischenspeicher. Beim AMD K6, Duron, Athlon, Prozessor ist der L 2 Cache im Prozessor (bzw. beim K6 der Level 2 Cache auf dem Motherboard) integriert und wird mit halben bis vollem Core Takt betrieben.

Level 3 Cache

Der Level 3 Cache ist die dritte Stufe des Cache und ist ein wenig langsamer als der Level 2 Cache und tritt fast nur in Verbindung mit einem AMD K6-3 auf. Da der AMD K6-3 einen Level 1 Cache und den Level2 Cache auf dem Prozessor sitzen hat und auf einem Motherboard mit Sockel7 zum Einsatz kommt bildet der Cache auf dem Motherboard den Level 3 Cache.

Architekturvarianten

Nach dem eine immer weitere Erhöhung des Core Taktes nicht mehr ohne weiteres machbar war (Erhörte Temperatur etc.) mussten sich die Entwickler andere Wege einfallen lassen, um einen Prozessor schneller machen zu können.

FPU-Unit

In der FPU (Floating Point Unit) werden alle Berechnungen ausgelagert, die mit Gleitkommazahlen durchzuführen sind. Diese Prozessorteil ist speziell für diese Aufgaben ausgelegt, und kann die arithmetischen Funktionen wesentlich schneller ausführen als der Prozessor. Seit dem 80486DX sind alle Prozessoren mit einer FPU ausgestattet.

MMX Technologie

Diese von Intel entwickelte Technologie gibt dem Prozessor mehrere Befehle (Befehlserweiterung um 57 Instruktionen), die speziell auf Multimedia, Sound und Video - Aufgaben zugeschnitten ist und diese beschleunigen soll. Die Prozessoren erhalten mit der MMX-Technik acht 64 Bit große MMX-Register dazu. Zudem gibt es vier neue Datentypen: Packed byte, Packed word, Packed doubleword und Quadword. Die MM-Erweiterung sollte eigentlich auch 3D-Spiele, welche direkt für MMX programmiert sind, beschleunigen, was sich allerdings kaum bewahrheitet hat. Die MMX-Technologie befindet sich (seit 8.1.97) in allen neuen PentiumTM Prozessoren und seit Mitte '97 auch in allen Konkurrenzprodukten (K6, C6, 6x86MX sowie in allen Nachfolge Produkten wie z.B. Duron, Athlon, Celeron, PII, PIII, P4).

ISSE oder auch MMX2

MultiMedia Extension 2 - Technologie von Intel, welche weitere den x86-Prozessoren weitere Befehle spendiert. Nachdem MMX sein Augenmark auf 2D- und Video legte, will Intel nun verstärkt FPU/3D-Instruktionen implementieren um so der K6's 3DNow-Technologie die Stirn zu bieten. Heute ISSE genannt.

3D Now!

Eine MMX-ähnliche Erweiterung des Befehlssatzes von x86-Prozessoren, welche vor allem 3D-Anwendungen beschleunigen wird. Die 3D Now!-Technologie stammt von AMD. 3DNow! ist als Fließkomma-Erweiterung des von Intel entwickelten MMX-Befehlssatzes ausgelegt, der bis dahin nur ganzzahlige Berechnungen zuließ. Die acht 64 Bit Fließkommaregister der Floating-Point-Unit (FPU) werden dabei in je zwei 32 Bit Fließkommaregister einfacher Genauigkeit aufgeteilt (das ergibt insgesamt 16 Register). Damit 3DNow! verwendet werden kann, muss erst in den MMX-Modus umgeschaltet werden, um die Fließkommaregister verfügbar zu machen (ein gleichzeitiger Betrieb von FPU und MMX/3DNow! ist also nicht möglich). Das Umschalten kostet ca. 70 Prozessortakte.

Der Prozessor verfügt über zwei fully-pipelined arbeitende Ausführungseinheiten, d.h. in jedem Takt tritt ein Befehl in die Befehlpipeline ein, und in jedem Takt wird die Ausführung eines Befehls (am Ende der Pipeline) abgeschlossen. Jede der Einheiten führt unabhängig voneinander (natürlich nur, wenn die Operanden unabhängig sind) mit jedem Befehl auf einem der Registerpaare zwei identische Operationen aus (single instruction-multiple data, SIMD). Dadurch ergeben sich also maximal 2 Befehle pro Takt * 2 Fließkommaoperationen pro Befehl = 4 Fließkommaoperationen pro Takt.



Die Grafik zeigt eine Übersicht über die verfügbaren 3DNow!/MMX-Befehle. Parallel von beiden Ausführungseinheiten ausgeführt werden können nur Operationen aus verschiedenen Kästen.

Dies ermöglicht z.B. Folgen von Multiplikationen und Additionen, die bei der für Transaktionen oft benötigten Matrix-Vektor-Multiplikation auftreten, zeitsparend abzuarbeiten. Leider würde aber eine 4x4-Matrix bereits alle 16-Register belegen, so dass gerade bei Transformationen mehrerer Vektoren bestimmte Matrixzeilen immer wieder nachgeladen werden müssen. Weitere Nachteile sind, dass die bei der Beleuchtungsberechnung häufig gebrauchte Potenzfunktion nicht vorhanden ist, also nach Umschalten aus dem MMX-Modus von der normalen FPU berechnet werden muss, und dass die in der Regel auf die Iterationsberechnung folgende Multiplikation nicht parallel abgearbeitet werden kann.


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