Ja ich weiß schlicht und einfach kopiert auf Wikipedia aber da ist eigentlich alles wichtige drin und da du keine links willst.. nimm den Text und filter informationen die wichtig sind und ende
Der Hauptprozessor (englisch Central Processing Unit) im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor bezeichnet, ist der zentrale Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuert.
Der Begriff CPU wird umgangssprachlich auch in anderem Kontext für Zentraleinheit (ZE) benutzt, hierbei kann dies für einen zentralen Hauptrechner (ein kompletter Computer) stehen, an dem einzelne Terminal-Arbeitstationen angeschlossen sind. Teilweise wird der Begriff auch in Zusammenhang mit Computerspielen als Synonym für die KI verwendet ("Ein Spiel gegen die CPU").
CPUs wurden zuerst aus Relais aufgebaut wie z.B. bei der Zuse Z3, gefolgt von Elektronenröhren wie beim Eniac. In den 1950er Jahren wurden die unzuverlässigen Elektronenröhren von Transistoren verdrängt, die zudem den Stromverbrauch der Computer senkten. Mit der Verfügbarkeit von Integrierten Schaltungen konnten die Hauptprozessoren weiter verkleinert werden, die CPU konnte bald in einem einzelnen Schaltschrank untergebracht werden, was zum Begriff Mainframe, also "Hauptrahmen", bzw. "Hauptschrank" führte.
Die weiter steigende Integrationsdichte (baugröße) führte dazu, dass Anfang der 1970er Jahre erste Hauptprozessoren gebaut wurden, die auf einem einzelnen Chip Platz hatten, der Microprozessor. Anfangs noch wegen ihrer vergleichsweise geringen Leistungsfähigkeit belächelt (der Legende nach soll ein IBM-Ingenieur über den ersten Microprozessor gesagt haben: "Nett, aber wozu soll das gut sein?"), haben Microprozessoren heute alle vorangegangenen Techniken für den Aufbau eines Hauptprozessors abgelöst.
Eine CPU besteht prinzipiell aus den Funktionsgruppen Register, Recheneinheit (ALU - Arithmetic Logic Unit), Befehlsdecoder und Adresseinheit.
Die Adresseinheit ist dafür zuständig, Daten und Befehle aus dem Speicher zu lesen oder in diesen zu schreiben. Befehle werden vom Befehlsdecoder verarbeitet, der die anderen Einheiten entsprechend steuert. In den Registern werden Daten für die unmittelbare Verarbeitung gespeichert, gegenüber dem Speicher ist der Zugriff auf Daten in den internen Registern meist erheblich schneller.
In modernen CPUs finden sich meist sehr viel feiner unterteilte Funktionseinheiten sowie mehrfach ausgeführte Einheiten, die das gleichzeitige Abarbeiten mehrerer Befehle erlauben.
Die beiden wesentlichen Grundarchitekturen für CPUs sind die Von-Neumann- und die Harvard-Architektur.
Bei der nach dem Mathematiker John von Neumann benannten Von-Neumann-Architektur gibt es keine Trennung zwischen dem Speicher für Daten und Programmcode. Dagegen sind bei der Harvard-Architektur Daten und Programm in strikt voneinander getrennten Speicher- und Adressräumen abgelegt.
Beide Architekturen haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Die Von-Neumann-Architektur ist aus der Sicht des Programmierers einfacher zu handhaben, und die Möglichkeit, auf Programmcode wie auf Daten zuzugreifen, ermöglicht selbstmodifizierenden Code. Andererseits kann diese Selbstmodifikation auch durch Programmfehler zu noch größeren Fehlern führen. Durch die Trennung in zwei physikalische Speicher hat die Harvard-Architektur potenziell eine höhere Leistungsfähigkeit, da Daten- und Programmzugriffe parallel erfolgen können; nachteilig ist dagegen, dass nicht benutzter Speicher in einer Klasse nicht für die andere Klasse genutzt werden kann.
Aktuell basieren fast alle verwendeten CPUs auf der Von-Neumann-Architektur, es gibt jedoch Ausnahmen besonders im Bereich der Microcontroller, und es gibt Mischformen. So ist es nicht unüblich, dass eine CPU intern dem Harvard-Prinzip ähnelt, um mit möglichst vielen parallelen Datenpfaden eine hohe Leistung zu erzielen, extern aber einen gemeinsamen Speicher nutzt.
Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinander liegenden Schichten von dotiertem Silizium, welches Millionen von Transistoren bildet, und deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.
CPUs werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst. Beispielsweise müssen Spezialversionen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei Stand halten, während Mobilprozessoren eine hohe IPC-Rate, geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen müssen. Diesen Bedürfnissen wird auf verschiedene Arten und Weisen Rechnung getragen: So wird bereits mit der Auswahl des Befehlssatzes (CISC oder RISC) eine fundamentale Entwurfsentscheidung getroffen, deren Implikationen in den jeweiligen Spezialartikeln näher erläutert werden. Anschließend wird ein möglichst effizienter Mikrocode entwickelt, welcher optimal an Randbedingungen wie Cachegrößen, Speicherbandbreite und -latenzen sowie die internen Funktionseinheiten angepasst werden sollte.
Anschließend wird der logische Entwurf des Prozessors (er liegt in einer C-ähnlichen Programmiersprache vor) an einen Hochleistungscomputer übergeben, welcher die Leiterbahnen routet, d. h. eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren sowie minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht (sog. Technology Binding oder Technology Mapping). Da diese Routingprobleme NP-vollständig sind, sind nur Näherungsberechnungen möglich, die sich im Detail noch erheblich verbessern lassen. Aus diesen Bahnberechnungen werden sehr teure Masken erstellt, die unter Anwendung kurzwelligen UV-Lichts (in Entwicklung: EUV-Lithografie) zur Belichtung von Wafern eingesetzt werden, die anschließend geätzt werden. Die Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über 100 Einzelschritte, in deren Verlauf bereits ein Fehler den gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann.
In der Endkontrolle werden die Prozessoren schließlich hinsichtlich ihrer Taktfestigkeit klassifiziert, wobei anhand eines für jeden Prozessortyp individuell entwickelten Testprogramms physikalische Eigenschaften wie Signalpegel bei verschiedenen Takten überprüft werden. Hierbei wird besonders auf laufzeitkritische Signalwege auf dem CPU-Die geachtet, um Speed Paths zu verhindern.
Allgemein lässt sich feststellen, dass der Validierungsaufwand moderner Prozessoren gewaltige Ausmaße angenommen hat, und trotz aller Anstrengungen nicht alle Fehlersituationen vor der Auslieferung überprüft werden können. Der letzte in allen Funktionen (und Fehlern!) vollständig verifizierte x86-Prozessor war der 80286. Daher liefern alle Hersteller so genannte Errata-Listen, in denen Fehler aufgelistet werden. So musste beispielsweise Intel den berühmten FDIV-Bug in frühen Pentium-CPUs eingestehen, welcher auf eine kleine Auslassung beim Füllen einer im Prozessor hartverdrahteten Matrix für die FPU zurückzuführen ist.
Im Laufe der Zeit vergrößerte sich auf Grund der immer besser werdenden Technik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Heute finden sich überwiegend 32- und 64-Bit-Prozessoren, wobei die gängigsten Betriebssysteme für den Anwender maximal 64, meist aber nur 32 Bit unterstützen. Daran lässt sich schon erkennen, dass die Software im Falle der Prozessoren der Hardware hinterherhinkt. Die 386er, die in den 80er Jahren entwickelt wurden, waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie.
Im Jahre 2006 wurde von der Firma ARM der erste kommerzielle ungetaktete, asynchrone Prozessor vorgestellt, der ARM996HS. Da er ohne Taktung auskommt, weist ein asynchroner Prozessor eine im Hochfrequenzbereich geringere und wesentlich weniger prägnante Abstrahlung auf und verbraucht während Prozesspausen praktisch kaum nennenswert Strom.
Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinander liegenden Schichten von dotiertem Silizium, welches Millionen von Transistoren bildet, und deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.
CPUs werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst. Beispielsweise müssen Spezialversionen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei Stand halten, während Mobilprozessoren eine hohe IPC-Rate, geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen müssen. Diesen Bedürfnissen wird auf verschiedene Arten und Weisen Rechnung getragen: So wird bereits mit der Auswahl des Befehlssatzes (CISC oder RISC) eine fundamentale Entwurfsentscheidung getroffen, deren Implikationen in den jeweiligen Spezialartikeln näher erläutert werden. Anschließend wird ein möglichst effizienter Mikrocode entwickelt, welcher optimal an Randbedingungen wie Cachegrößen, Speicherbandbreite und -latenzen sowie die internen Funktionseinheiten angepasst werden sollte.
Anschließend wird der logische Entwurf des Prozessors (er liegt in einer C-ähnlichen Programmiersprache vor) an einen Hochleistungscomputer übergeben, welcher die Leiterbahnen routet, d. h. eine optimale Anordnung mit möglichst wenig Transistoren sowie minimaler Verlustleistung zu ermitteln sucht (sog. Technology Binding oder Technology Mapping). Da diese Routingprobleme NP-vollständig sind, sind nur Näherungsberechnungen möglich, die sich im Detail noch erheblich verbessern lassen. Aus diesen Bahnberechnungen werden sehr teure Masken erstellt, die unter Anwendung kurzwelligen UV-Lichts (in Entwicklung: EUV-Lithografie) zur Belichtung von Wafern eingesetzt werden, die anschließend geätzt werden. Die Fertigung eines heutigen Mikroprozessors umfasst weit über 100 Einzelschritte, in deren Verlauf bereits ein Fehler den gesamten Prozessor unbrauchbar machen kann.
In der Endkontrolle werden die Prozessoren schließlich hinsichtlich ihrer Taktfestigkeit klassifiziert, wobei anhand eines für jeden Prozessortyp individuell entwickelten Testprogramms physikalische Eigenschaften wie Signalpegel bei verschiedenen Takten überprüft werden. Hierbei wird besonders auf laufzeitkritische Signalwege auf dem CPU-Die geachtet, um Speed Paths zu verhindern.
Allgemein lässt sich feststellen, dass der Validierungsaufwand moderner Prozessoren gewaltige Ausmaße angenommen hat, und trotz aller Anstrengungen nicht alle Fehlersituationen vor der Auslieferung überprüft werden können. Der letzte in allen Funktionen (und Fehlern!) vollständig verifizierte x86-Prozessor war der 80286. Daher liefern alle Hersteller so genannte Errata-Listen, in denen Fehler aufgelistet werden. So musste beispielsweise Intel den berühmten FDIV-Bug in frühen Pentium-CPUs eingestehen, welcher auf eine kleine Auslassung beim Füllen einer im Prozessor hartverdrahteten Matrix für die FPU zurückzuführen ist.
Im Laufe der Zeit vergrößerte sich auf Grund der immer besser werdenden Technik die Anzahl der vom Prozessor unterstützten Befehle. Heute finden sich überwiegend 32- und 64-Bit-Prozessoren, wobei die gängigsten Betriebssysteme für den Anwender maximal 64, meist aber nur 32 Bit unterstützen. Daran lässt sich schon erkennen, dass die Software im Falle der Prozessoren der Hardware hinterherhinkt. Die 386er, die in den 80er Jahren entwickelt wurden, waren die ersten 32-Bit-Prozessoren der Intel 80x86-Familie.
Im Jahre 2006 wurde von der Firma ARM der erste kommerzielle ungetaktete, asynchrone Prozessor vorgestellt, der ARM996HS. Da er ohne Taktung auskommt, weist ein asynchroner Prozessor eine im Hochfrequenzbereich geringere und wesentlich weniger prägnante Abstrahlung auf und verbraucht während Prozesspausen praktisch kaum nennenswert Strom.
Doch verwenden einzelne kleine Hersteller auch Kompressionskältemaschinen. Diese funktionieren ähnlich wie ein Kühlschrank. Ein Kühlmittel wird stark unter Druck gesetzt, und dann beim Ausgleich auf Normaldruck kühlt es stark ab und kühlt so auch seine Umgebung, sprich Prozessor oder andere Geräte. Diese Lösung wird vor allem bei übertakteten Workstations verwendet, hat aber den Nachteil, auch die Geräuschkulisse eines Kühlschranks zu erzeugen.
Eine weitere Möglichkeit zur Zwangskühlung der CPU bietet das Peltier-Element. Auch hier ist die Gefahr der Bildung von Kondenswasser gegeben. Zudem erzeugt ein Peltier-Element wegen des geringen Wirkungsgrads mindestens noch einmal die gleiche Verlustleistung wie der Prozessor selbst, die zusätzlich abgeführt werden muss. Die „warme“ Seite muss also auch hier per Wasserkühlung oder Kühlkörper mit Lüfter gekühlt werden.
Auch kann durch den Einsatz von Ölkühlung die Wärme abgeführt werden, im PC-Bereich wird dies allerdings bisher nur im experimentalen Umfeld durchgeführt.
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