Was ist ein Mikroprozessor?

Wie CPUs gelten auch Mikroprozessoren gemeinhin als das „Gehirn“ des Computers. Im Gegensatz zu herkömmlichen CPUs integrieren Mikroprozessoren die Rechen-, Logik- und Steuerschaltkreise herkömmlicher CPUs in einen einzigen, zeitgesteuerten und registerbasierten digitalen Universalschaltkreis.

Obwohl die Begriffe CPU und Mikroprozessor oft synonym verwendet werden, ist ein Mikroprozessor im Wesentlichen eine All-in-One-CPU auf einem einzigen Chip. Dieses Einzelchip-Design reduziert die Anzahl der anfälligen elektrischen Verbindungen und verbessert die Zuverlässigkeit durch die Reduzierung potenzieller Fehlerquellen. Somit haben Mikroprozessoren herkömmliche Mehrkomponenten-CPUs fast vollständig ersetzt.

Bevor es Mikroprozessoren gab, wurden in Computern Gestelle mit Schaltkreisen (ICs) für die wichtigsten Funktionen des Computers verwendet. 1971 fand mit der Einführung des Intel 4004, des ersten kommerziell erhältlichen Mikroprozessors, ein bedeutender Wandel in der Computertechnologie statt. Das von Federico Faggin entworfene, revolutionäre Gerät entstand nicht nur aufgrund eines Auftrags des japanischen Elektronikherstellers Busicom für 12 spezielle Mikrochips für einen Taschenrechner. Dieser Meilenstein revolutionierte die Art und Weise, wie wir über Computer denken, da Intel anstelle von 12 einzelnen Chips einen universellen herstellte.

Die für heutige Begriffe leistungsschwache Architektur des Intel 4004 arbeitete mit einer Taktfrequenz von 740 kHz und konnte nur Datenströme mit maximal 4 Bits, auch bekannt als „Nibble“, verarbeiten. Obwohl der 4004 im Vergleich zu modernen 8-Bit- bis 64-Bit-Mikroprozessoren schwach ist, wird er allgemein als revolutionärer Durchbruch in der Schalttechnik angesehen. Wie das Mooresche Gesetz vorhersagt, führte die rasche Entwicklung der Halbleitertechnologie zu erheblichen Verbesserungen der Rechenleistung. Hergestellt von führenden Anbietern wie Intel und Pentium und eingesetzt von allen großen Technologieunternehmen wie IBM, Microsoft und Apple, treiben Mikroprozessoren Tausende von Systemen und Anwendungen an – von Fernbedienungen für Fernseher bis hin zur Internationalen Raumstation.

Bei modernen Mikroprozessoren werden Millionen von kleinen Transistoren, Resistoren und Dioden auf einem Halbleitermaterial zusammengefügt, was die Hauptkomponenten einer CPU sind. Diese Komponenten sind so angeordnet, dass sie in verschiedenen Arten von einzigartigen Computerarchitekturen Berechnungen durchführen und Anweisungen ausführen können. Die Funktionen eines durchschnittlichen Mikroprozessors lassen sich in vier Hauptschritte unterteilen.

1. Befehl: Der Mikroprozessor ruft Anweisungen aus dem Computerspeicher ab (Fetch-Befehl). Der Befehl kann durch automatische oder manuelle Eingabe eingeleitet werden.
2. Dekodieren: Der Mikroprozessor „dekodiert“ die Anweisungen, indem er die Eingabe oder den Befehl in eine Anfrage interpretiert und einen bestimmten Prozess oder eine bestimmte Berechnung einleitet.
3. Ausführen: Der Mikroprozessor führt die erforderliche oder angeforderte Operation aus.
4. Speichern: Das Ergebnis der Ausführung wird in den Arbeitsspeicher des Computers übernommen.

Mikroprozessoren erfüllen diese Aufgaben, weil sie die Hauptkomponenten einer CPU in einer einzigen Schaltung vereinen. Die wichtigsten Komponenten eines Mikroprozessors sind die folgenden:

• Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Die wichtigste Logikeinheit der CPU. Diese Komponente führt logische Operationen durch, einschließlich mathematischer Berechnungen und Datenvergleiche.  
  
• Steuerwerk (CU): Die CU-Schaltung interpretiert Befehle und leitet deren Ausführung ein und steuert die grundlegenden Operationen des Prozessors. 
  
• Register: Register sind kleine, leistungsfähige Speicher, die von einer CPU zur temporären Speicherung von Daten und Befehlen während des Rechenvorgangs verwendet werden.
  
  
• Cache: Mikroprozessoren und CPUs speichern darin häufig aufgerufene Daten. Es ist ein Hochgeschwindigkeitsspeicher dicht an der CPU, um die Leistung zu steigern.
  
  
• Busse und Busschnittstellen: Busschnittstellen bieten Ein- und Ausgangspunkte für die Übertragung von Daten über verschiedene Leitungsgruppen (sogenannte Busse), wie z. B. den Adressbus oder den Datenbus. Busse und Schnittstellen verbinden physisch verschiedene interne Komponenten und ermöglichen und erleichtern die Kommunikation innerhalb der CPU und anderer Peripheriegeräte wie Eingabe-/Ausgabeeinheiten (E/A).
  
  
• Transistoren: Transistoren, einer der Hauptbausteine von ICs, sind kleine Halbleiter, die elektrische Ströme und Signale regulieren, verstärken und erzeugen. Sie können auch als einfache Schalter fungieren oder zu Logikgattern kombiniert werden. Die Anzahl der Transistoren ist ein gängiger Indikator für die Leistung des Mikroprozessors.
  
  
• Prozessorkerne: Einzelne Verarbeitungseinheiten innerhalb von Mikroprozessoren werden Kerne genannt. Moderne Prozessoren verfügen häufig über mehrere Kerne (Dual-Core, Quad-Core), was eine parallele Verarbeitung ermöglicht, indem mehrere Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden können.
  
  
• Uhr: Obwohl nicht alle Mikroprozessoren eine interne Uhr enthalten, sind sie alle getaktet. Einige verlassen sich auf externe Uhrchips, die für eine größere Genauigkeit bekannt sind. Ob intern oder extern, die Geschwindigkeit eines Mikroprozessors bestimmt die Frequenz, mit der er Befehle ausführt. Moderne Taktfrequenzen werden in Megahertz (MHz) und Gigahertz (GHz) gemessen.

Die Architektur eines Mikroprozessors bezieht sich auf verschiedene Design- und Organisationsmethoden der verschiedenen CPU-Komponenten des Prozessors. Dies sind die wichtigsten architektonischen Elemente eines Mikroprozessors:

• Befehlssatzarchitektur, Instruction Set Architecture (ISA): Die ISA des Mikroprozessors definiert den Befehlssatz, den der Prozessor ausführen kann. ISAs wie die Architekturen Reduced Instruction Set Computer (RISC) und Complex Instruction Set Computer (CISC) bieten verschiedene Methoden der Datenverarbeitung und unterschiedliche Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Geschwindigkeitsniveaus für verschiedene Anwendungen.
  
  
• Datenpfad: Der Datenpfad eines Mikroprozessors bestimmt die Reihenfolge, in der die Daten durch die Komponenten des Mikroprozessors (Busse, ALU, Register) verschoben werden, und trägt zur Gesamtleistung bei.
  
  
• Pfad der Steuerung: Ähnlich wie der Datenpfad steuert das Steuerpfadelement der Architektur eines Mikroprozessors die Abfolge der Vorgänge und verwaltet die Datenübertragung innerhalb der CPU.
  
  
• Speicherhierarchie: Die Speicherhierarchie ist ein wesentlicher Bestandteil der Prozessorarchitektur, die eine Struktur für verschiedene Speicherebenen (Cache, Register, RAM) bereitstellt, um einen effizienten Datenzugriff und eine optimale Abrufgeschwindigkeit zu gewährleisten.

Die Mikroprozessoren unterscheiden sich in Bezug auf Energie, Leistung, Architekturmethoden, Größe, Energieverbrauch und viele andere Variablen und sind für alle Arten von Anwendungen konzipiert. Universelle Mikroprozessoren sind in PCs und mobilen Geräten weit verbreitet, während spezialisierte Hochleistungseinheiten wie digitale Signalprozessoren (DSPs) für anspruchsvolle Aufgaben wie Audio-, Sprach-, Video- und Bildverarbeitung konzipiert sind.

Im Folgenden sind einige der Haupttypen von Mikroprozessoren aufgeführt.