Abbildungsverzeichnis
1. Einleitung
2. Entwicklung
2.1. Geschichte
2.1.1. Chronologie ,
3. Aufbau und Technologie
3.1.1. Steuerwerk
3.1.2. Rechenwerk
3.1.3. Adresswerk
3.1.4. Register
3.2. Verbindung mit dem Mainboard
3.3. Taktung
3.4. Cache
3.5. Prozessor-Kühlung
3.6. Hyper-Threading-Technologie (HT)
3.7. Multicore-Technologie
3.8. Bussystem
4. Einsatzgebiete
5. Wirtschaftliche Betrachtungsweise
6. Zukunft der Prozessoren
7. Fazit
Literaturverzeichnis
Glossar
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung 1 - Aufbau und Funktion eines Prozessors
Abbildung 2 - Steuerwerk (CU) / Control Unit
Abbildung 3 - Rechenwerk (ALU) / Arithmetic Logic Unit
Abbildung 4 - Prozessoreinbau auf Mainboard
Abbildung 5 - Muster eines Prozessortakts
Abbildung 6 - Cache-Aufbau
Abbildung 7 – Passiver Prozessor-Kühler
Abbildung 8 - Grundaufbau eines Intel Core i7 Prozessor
Abbildung 9 - Das Bussystem
Abbildung 10 - Signale des Steuerbusses
Abbildung 11 - Kostenanalyse Stromverbrauch
Der Prozessor, als zentrale Verarbeitungseinheit ist der mit Abstand wichtigste Chip auf jeder Hauptplatine eines jeden elektronischen Gerätes. Direkt und indirekt ist der Prozessor mit jedem anderen Hardwarebauteil mittels Steuer-, Adress- und Datenleitungen, mit dem sogenannten Bussystem auf dem Mainboard verbunden. Prozessoren regeln die Ausführung der Programme, sowie die zentrale Steuerung und Verwaltung der Systemhardware.
Die bekanntesten Prozessoren für Server, Desktop-PC´s und Notebooks stammen von den Marktführern AMD und Intel.
Diese Hausarbeit bezieht sich vor allem auf die Prozessoren von Intel und AMD in Kombination mit Computern.
Im Zuge der Prozessorentwicklung optimierte man den internen Aufbau, verkleinerte die Strukturen, senkte die Spannung und erhöhte die Taktfrequenz. Dieser gleichbleibende Herstellungsprozess zeugte jeweils eine neue Prozessorgeneration mit höherer Rechenleistung.
Damit das Taktsignal mit zunehmender Chipgröße nicht immer längere Wege zurücklegen muss und sich der Zeitunterschied der Taktflanken im akzeptablen Spektrum befindet, musste der Takttreiber immer leistungsstärker werden. Doch dadurch erhöhte sich auch die Verlustleistung der Prozessoren, deren Chipfläche sich stets verkleinerte.
Es wurden dann zwischen den Schaltelementen immer dünnere Verbindungen eingesetzt, die den Verbindungswiderstand steigerten und dazu führten, dass sich die Signale immer langsamer bewegten. Teilweise führte dies sogar dazu, dass die Signallaufzeit unter der Verarbeitungszeit der Gatter lag. Somit konnte die Taktfrequenz bei der Prozessorentwicklung nicht unendlich gesteigert werden und gelang so an ihre physikalische Grenze, da sie unter anderem auch die entstehende Verlustleistung und damit die Lebensdauer des Prozessors beeinflusste.
Um die Rechenleistung der Prozessoren weiter steigern zu können, wurden einige Funktionsblöcke mehrfach integriert, welche parallel arbeiten und somit die Rechengeschwindigkeit der Prozessoren erhöhten[1].
Heutige Prozessoren besitzen mehrere Kerne, Intelligente Zwischenspeicher, Befehlssatzerweiterungen und Virtualisierungstechniken.
Mit der Einführung des Intel 486 im Jahre 1989 begann der Computerboom in den privaten Haushalten. Immer mehr Geräte konnte man dort vorfinden, doch Prozessoren gab es schon viel früher. Intel begann mit der Entwicklung des ersten Mikroprozessors im Jahre 1969[2] als Teil eines Projektes für den japanischen Rechner-Hersteller Busicom. Intels Aufgabe war die Entwicklung einer Reihe von Chips für eine Produktreihe programmierbarer Rechenmaschinen, die man heute noch vereinzelt hinter dem Kassenschalter der Supermärkte vorfindet. Als Resultat folgte der Intel 4004, der erste Mikroprozessor, mit dem die ganze Prozessorszenerie ihren Einstieg fand. Doch dies war nur der Anfang. Schnell erkannte man die unbegrenzten Möglichkeiten und die zahlreichen Anwendungsgebiete des Mikroprozessors. Heutzutage sind Computer nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken und der Prozessormarkt scheint unerschöpflich zu sein. Immer aufwendigere Aufgaben und komplexere Anwendungen erfordern immer schnellere Prozessoren, was die Entwicklung der Prozessoren stark vorantreibt.
1969
Ein 4-Bit Prozessor namens „4004“ wird von der Firma Intel vorgestellt. Diese hatte den Auftrag von der Firma Busicom erhalten, die einen Chipsatz für Rechenmaschinen benötigte.[3],[4]
1971
Der Prozessor 4004, der über eine Datenbreite von vier Bit verfügte, wurde von Intel auf den Markt veröffentlicht und wurde als "erster Computer auf einem einzigen Chip" angesehen. Dieser Prozessor taktete mit 108 kHz und besaß 2.300 Transistoren.
1974
Als Nachfolger für den 4004 veröffentlichte Intel den verbesserten 8080, einen 8-Bit-Chip, der mit 6000 Transistoren und mit 2 MHz Taktfrequenz betrieben wurde. Er wurde hauptsächlich als Steuer- und Regelinstrument in Maschinen der Fertigungsindustrie eingesetzt. Dieser Chip galt als erster vollwertiger Mikroprozessor, aber seine Rechenleistung war stark beschränkt, sodass der Prozessor kaum in derzeitigen Computern zu finden war.
Intels Rivale Motorola präsentierte den 6808 – einen ähnlich starken Prozessor.
1975
Intel Konkurrent AMD stellte den 8080A vor und Firma Zilog den Z80.
1977
Apple bringt den legendären Apple II auf den Markt. Dieser Personal Computer basierte auf dem 6502-Prozessor, welcher von einem ehemaligen Motorola-Mitarbeiter entwickelt wurde.
1978
Intel stellt der Öffentlichkeit zwei weitere Prozessoren vor, den NEC V20 und den 8086, der in einer Rekordzeit von zehn Wochen entwickelt wurde. Dies war Intels erster 16-Bit-Prozessor und der Meilenstein der x86-Reihe. Dieser war abwärtskompatibel zu den älteren 8-Bit-Modellen und eigentlich nur als Zwischenlösung gedacht.
1979
Intel entwickelt den 8088 und Motorola den 68000. Der 8088 wird durch den Erfolg des ersten PCs und der vielen IBM-kompatiblen Personal Computern zum Hit. Dabei sollte er nur die Zeit bis zur Fertigstellung des ersten 32-Bit-Prozessors überbrücken, des 8800.
1984
IBM veröffentlichte eine neue PC-Generation, den PC-AT. Ausgestattet wurde dieser mit Intels neuen 16-Bit-Prozessor 80286, der zum 8086 und 8088 und zum selten eingesetzten 80186 kompatibel bleibt. Dieser Prozessor ist zwar technisch gesehen nicht mehr auf dem Stand der Zeit, doch der 286er erwirtschaftete seinem Hersteller Rekordumsätze.
In diesem Jahr stellt auch Motorola die 32-Bit-CPUs 68010 und 68020 vor. Und auch Apple liefert den ersten Macintosh aus, der von Motorolas 68000er angetrieben wird. AMD präsentiert seinen ersten 286er, den Am286. Der Prozessor taktet mit 16 MHz.
1985
INTEL bringt den 80386 Prozessor mit zeitgemäßer 32-Bit-Technik auf den Markt. Im Gegensatz zum iAPX432 wird der „386er“ gut verkauft und in zahlreichen Rechnern von Compaq, IBM und anderen Herstellern eingesetzt. Während der 286er nur 16 MByte Arbeitsspeicher adressieren konnte, schaffte der 386 - dank 32-Bit-Technik - theoretisch 4GB RAM - genau wie alle 32-Bit-CPUs nach ihm bis hin zum Pentium 4. Wie einige seiner Vorgänger bietet Intel auch den 80386 in einer vereinfachteren und günstigeren Version an, den 386SX mit nur 16 Bit breitem Datenbus. Zur Unterscheidung von seinem kleinen Bruder wird der reguläre 386 in 386DX umbenannt.
1986
Die Firma Compaq bestückt Ihre Verkauf-PC`s mit Intel 80386 und 80286 und vertreibt Rechner für mehr als 5.000 EUR auf dem freien Markt.
1987
Zilog Z280 und ISA, EISA und Microchannel gelangen auf den Markt.
1988
AMD bietet seinen 286, „80386“ auf dem Markt an, dessen Absatz aber sehr schwach war.
1989
Intel 80486DX2, Motorla 68030 und 68040 werden veröffentlicht. In diesem Jahr folgt auch eine Weiterentwicklung des 386ers zum 80486 mit der Bezeichnung i486. Erstmals bringt ein Prozessor einen eigenen integrierten L1-Cache, sowie einen mathematischen Co-Prozessor mit, den man bis dato nachrüsten und in einen separaten Sockel stecken musste. Der 486 ist der erste Prozessor, der Befehle fließbandartig verarbeiten konnte und intern mit einem höheren Takt läuft als extern. Auch ihn gibt es als schnellen DX, als günstigeren SX ohne Co-Prozessor, sowie in zahlreichen anderen Varianten von 16 bis 100 Megahertz.
1991
Der Erfolg des i486-Prozessors ist enorm. Er dominiert den PC-Mark nicht zuletzt durch die 1991 gestartete "Intel inside"-Kampagne. AMD veröffentlicht den unter der Bezeichnung AM386 bekannten Prozessor. Im März präsentiert AMD seinen ersten Clone von Intels 80386DX, der auf dem Microcode von Intel basiert. Der Am386DX taktet anfangs mit 20, später mit 40 MHz. Im Juli folgt der 386SX-Clone Am386SX mit 25 MHz Takt. IBM und Intel unterzeichnen einen 10-Jahres-Vertrag zur gemeinsamen Entwicklung von Prozessoren.
1993
Intel produziert den „80586“, den ersten Pentium. Im März beschließt Intel der Konkurrenz und den Clonern eins auszuwischen und benennt seinen neuen Prozessor Chip nicht mehr nach einer Zahlenreihenfolge, sondern Pentium. Diese Bezeichnung lässt sich im Gegensatz zu einer Zahl, markenrechtlich schützen. Der neue Prozessor wird anfangs in 5-Volt-Technik gefertigt. Er ist softwarekompatibel zu seinen Vorgängern, diesen aber technisch weit überlegen. Mit einer Strukturbreite von anfangs 0,8 später 0,35 Mikron, lässt sich die Zahl der Transistoren auf über 3,1 Millionen steigern. Der Pentium Prozessor wird anfangs mit 60 MHz oder 66 MHz betrieben und passt in den Sockel 4 (273 Pins). Neu ist, dass der Prozessor in einem Taktzyklus zwei Befehle ausführen kann. Der Datenzugriff wird durch zwei interne 8 KB große Caches beschleunigt. Der eine speichert die jeweils aktuellen Befehle, der andere die Daten. Hinzu kommt, dass der externe Datenbus zum Hauptspeicher jetzt 64 Bit breit ist. Vor allem im Fließkommabereich wurde der Pentium verbessert. Er ist dort dreimal so schnell wie ein 486er. Im April präsentiert AMD weitere 486DX-Clones. Auch Cyrix kommt mit neuen 80486-CPUs, die Pin-kompatibel zu Intels 486SX und 386SX sind.
1994
Weitere Prozessoren werden in den PC-Markt eingeführt: 486 DX 4, Nx586 und der Pentium von Intel und der Cx486 DX2 von Cyrix.
1995
Der Pentium 133 und PENTIUM PRO von Intel und Cyrix 6x86 "M12" werden produziert.
1996
Der Pentium 200 von Intel, der K5 von AMD und der 6x86 PR200+ von Cyrix werden veröffentlicht.
1997
Der Pentium MMX und Pentium II 300 von Intel, der K6 (AMD), "M2" von Cyrix und der Tillamook Prozessor vorgestellt.
Neu in diesem Jahr ist die Multimedia-Erweiterung MMX von Intel und seiner leistungsfähigen Architektur. Somit kann erstmals ein Intel-Prozessor mehrere Befehle gleichzeitig verarbeiten. Intel Ingenieure verdoppelten die Anbindung zum Speicher von 32 auf 64 Bit und verarbeiteten in jedem Chip je acht Kilobyte L1-Daten- und Befehlscache. Diese Leistungssteigerung kommt vor allem den Spiele-Fans zu Gute.
1998
Intel produziert den Pentium mit II 450 Mhz und führt einen neuen kleinen Pentium Prozessor Namens Celeron ein, der hauptsächlich auf dem „Low-Budget Markt“ ankommen soll. Der Server-Markt wird von Intel mit den Xeon Prozessor aufgestockt, der den Pentium Pro ablösen soll. Dieser Xeon-Prozessor ist intern aufgebaut wie der Pentium II-Kern, hat jedoch im Gegensatz zu diesem einen bis zu 8 MB großen L2-Cache. Der Arbeitstakt des Caches läuft mit vollem Prozessortakt. Der Pentium II und der Pentium Pro sind sich in der Grundstruktur sehr ähnlich.
1999
Intel entwickelt den Pentium III mit Detailverbesserungen, wie eine zweite Befehlssatzerweiterung, die vor allem Internet-, Office- und Multimedia-Anwendungen beschleunigen soll. AMD produziert den K6-III und den Athlon.
2000
Die Taktrate der Prozessoren reicht nun bis hoch zur magischen Grenze von einen Gigahertz die erstmals von AMD´s Athlon Prozessor überschritten wurde. Zwei Tage später erst ist es Intel mit einem übertakteten Pentium III gelungen einen Gigahertz zu erreichen.
Ende 2000 erscheint der Pentium 4 mit 1,4 und 1,5 GHz auf den Markt, dessen Benchmarks aber enttäuschend waren. Der Prozessor fällt bei einigen Tests hinter einen Pentium III 1.000 zurück, der mittlerweile mit einem neuen Stepping Gigahertz-tauglich gemacht wurde. Die Prozessoren produzierten immer mehr Wärme und Kühler wurden immer aufwendiger und zu Lasten der Käufer auch teurer.
2001
Intel liefert den Pentium 4 mit bis zu 2 Ghz und AMD den Athlon XP mit bis zu 1,9 Ghz.
2006
Eine neue Intel-Chip-Generation entdeckt das Licht der Welt und präsentiert sich mit einem grundlegend neuen Design mit enormer Durchschlagskraft. Die ersten Prozessoren auf Basis dieser "Core" genannten Architektur rechnen bis zu 30 Prozent schneller als gleich getaktete Athlon-CPUs. Mitte August erscheinen die Core-2-Duo-Modelle im Handel und erfüllen mehr als alle Erwartungen. Die Core-Architektur erweist sich als äußerst effizient, die Leistungswerte sind überragend, die Wärmeentwicklung ist wegen der Pentium-M-Wurzeln und des Sparmodus Speedstep moderat. Ende 2006 erscheint bereits der erste Prozessor mit vier Kernen, der Core 2 Quad, der neue Bestmarken erreichte. Intel entwarf hier keinen neuen Chip mit vier Kernen, sondern setzte einfach zwei Doppelkerne auf ein Stück Silizium und vernetzte diese untereinander.
2008
Auf dem High-End-Sektor wird der Core 2 Ende 2008 vom Core i5 und i7 abgelöst, der erstmals in der Intel-Geschichte einen integrierten Speichercontroller mitbringt und sich dank "Turbo Boost"-Funktion automatisch übertaktet. Mit der wiederbelebten "Hyperthreading"-Technik bringt er es auf acht logische Kerne, von denen aber nicht alle Anwendungen profitieren. Im gleichen Jahr bringt Intel mit dem Atom-Prozessor die x86-Architektur auch in den „Low-Budget Markt“, der mit niedrigen Preisen und minimaler Leistungsaufnahme den Netbook-Boom auslöst.
Während moderne Computer mit GHz arbeiten, sich die Größe des RAM-Speichers stetig erhöht und Festplattenkapazitäten geradezu explodieren, blieben viele Konkurrenten der heute dominierenden CPU-Hersteller Intel und AMD auf der Strecke. Cyrix & Co zerschellten an der Macht der beiden US-Giganten und sind heute nur noch eine unbedeutende Fußnote in der Computergeschichte.
Anders als beim Von-Neumann-Rechner, holen heutige CPU´s nicht direkt alle Daten und Befehle aus dem Speicher. Für die heutigen Prozessoren wäre diese Methode deutlich zu langsam. Am Beispiel des x86-Prozessors[5], der einen zusätzlichen Registersatz besitzt, der den Zugriff auf Befehle und Daten ohne Wartezyklen ermöglicht, erhält man einen Einblick in die technologische Funktionsweise eines Prozessors.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 - Aufbau und Funktion eines Prozessors
Die komplexe Struktur eines Prozessors besteht grob beschrieben aus Rechen-, Adress-, Steuerwerk und dem internen Speicher oder Register. Der Prozessor greift über ein Bus-Interface auf den Systembus zu.
Die vier Schritte der Prozessverarbeitung[6]:
1. Holphase (Fetch): Zunächst muss ein Befehl aus dem Speicher (eventuell in eines der Mehrzweckregister) geladen werden. Wenn sich die gesuchte Information noch nicht im L1-Cache befindet, muss die BIU dafür den Speicher ansprechen. Die BIU arbeitet weitgehend selbstständig vom Rest der CPU und ist für die Kommunikation mit der Außenwelt verantwortlich.
2. Dekodierphase (Decode): Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte. Es entscheidet, welche Operation (Addition, Subtraktion, logische Verknüpfung und so weiter) die ALU auszuführen hat. Wenn für den Befehl noch Daten (Operanden) geholt werden müssen, steuert das ebenfalls die CU. Dazu befehligt Sie das Adresswerk, welches für die Berechnung der effektiven Adresse zuständig ist, die dann die Position der gewünschten Information ermittelt.
[...]
[1] Vgl.: Computertechnik-Fibel, Seite 76
[2] Vgl.: http://www.pc-erfahrung.de/prozessor/cpu-historie.html, 13.10.09, 09:51
[3] Vgl.: http://www.it-academy.cc/article/674/Die+Geschichte+des+Prozessors.html, 13.10.2009, 09:49
[4] Vgl.: http://www.pcgameshardware.de/aid,681331/Geschichte-der-wichtigsten-Intel-CPUs-mit-Bildergalerie/CPU/ Wissen/, 13.10.09, 09:58
[5] Vgl.: http://www.tecchannel.de/server/prozessoren/401364/so_funktioniert_ein_prozessor/index3.html, 08.11.2009, 17:31
[6] Vgl.: http://www.tecchannel.de/server/prozessoren/401364/so_funktioniert_ein_prozessor/index3.html, 08.11.2009, 17:31
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