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CPU steht als Abkürzung für die englischen Worte Central
Processing Unit - zu deutsch "zentrale Prozess Einheit". Arbeiteten
frühere Rechenautomaten mit dem Dezimalsystem, sprich basierend auf
der 10 - entwickelte Konrad Zuse im politisch isolierten Deutschland der
30er Jahre und Howard H. Aiken in den USA unabhängig voneinander ein
Konzept auf Basis des Dualsystems (0 und 1). Wobei die ersten Rechenautomaten
von Zuse, sowie auch Aiken auf dem dekadischen Zählrad basierten (Aikens
Mark- I Rechenautomat war eine riesenhafte Maschine mit über 700000
Einzelteilen, 3000 Kugellagern und 80 Kilometern Leitungsdraht und füllte
eine über 15 m lange und fast zweieinhalb Meter hohe Wandfläche).
Eine Additionstakt dauerte 0,3 Sekunde, eine Multiplikation zweier zehnstelliger
Zahlen ca. 6 Sekunden und eine Division etwa 11 Sekunden. Im Vergleich
dazu berechnet bereits ein Mikroprozessor der 8086 Generation (Ende der
70er Jahre) im Mikrosekundenbereich.
Einen enormen Auftrieb erhielt die Technik der Datenverarbeitung, als
man begann, die hohen Schaltgeschwindikgeiten von Elektronenröhren
für das automatische Rechnen auszunutzen. Bereits seit 1919 war bekannt,
dass sich zwei Trioden zu einem bistabilen Schaltelement zusammenschalten
lassen. Dieses Schaltelement wird entweder nach seinen Erfindern "Eccles-Jordan-Schaltung"
oder auch kurz "Flip-Flop" genannt. Es dauerte jedoch rund 25 Jahre, bis
man ernsthaft daran dachte, Röhrenschaltungen in Rechenautomaten
einzubauen. Der Übergang zu dieser Technik bildet die Grundlage der
heutigen, modernen Prozessorentwicklung. Da der Übergang zur Transistortechnik
und zu Monolith-Schaltung jeweils nur als Optimierung der oben genannten
Systems zu verstehen sind.
Die ersten digitalen Rechenautomaten enthielten als Rechenelemente
in der Hauptsache mechanisch betriebene Zählräder und elektromechanische
Relais mit Schaltzeiten von einigen Millisekunden. Dann folgten, beginnend
mit ENIAC von Eckert und Mauchly, die Elektronenröhren mit Schaltzeiten
im Mikrosekundenbereich.
Mitte der 50er Jahre begannen Transistoren und Dioden die Elektronenröhre
abzulösen. Transistoren zeichnen sich durch kürzere Schaltzeiten,
kleinere Abmessungen und geringere Verlustleistungen (in Form von Wärme)
aus. Zunächst montierte man die Transistoren als Einzelkomponenten
zusammen mit den übrigen Schaltkomponenten wie Widerstände und
Kondensatoren auf Schaltkarten und lötete sie in die Schaltung ein.
Die Weiterentwicklung führte dann zu immer kleineren Abmessungen.
Bei der "hybriden" Technik, Anfang 1964 eingeführt, wurden zwar immer
noch diskrete Schaltelemente verwendet, die Transistoren und Dioden waren
aber bereits zu 0,5 Quadratmillimetern kleinen Siliziumplättchen zusammengeschrumpft.
Diese Plättchen waren mit 3 bzw. 2 winzigen Anschlusskugeln versehen,
mittels derer man sie auf die Leiterzüge der elektrischen Schaltverbindungen
eines Keramikträgers auflötete. Ende der 60er Jahre gelang es
schließlich mit wirtschaftlich vertretbaren Prozessen, sämtliche
Einzelkomponenten nebst den elektrischen Verbindungsleitungen in das Innere
des Siliziums zu verlegen, sie in den Festkörper "hineinzuintegrieren"
-> der Prozessor war geboren. Die Folgen dieses Miniaturisierungstrends
elektronischer Schaltelemente waren im Endeffekt kleiner werdender Raumbedarf
bei gleichzeitigem Anstieg der Verarbeitungsgeschwindigkeit.
In der Entwicklungsgeschichte der Datenverarbeitung spielt das Jahr
1974 eine ganz besondere Rolle, da es Ingenieuren der amerikanischen Intel
Corp. gelang mehrere Transistorfunktionen [ermöglichen logische Schaltungen]
in einen integrierten Schaltkreis zu vereinen. Da für diese neue Technik
lediglich ein Bauteil benötigt wurde, im Gegensatz zur Elektronenröhre
oder dem Transistor - für deren logische Verschaltung mehrere Bauteile
nötig waren, nannte sich diese Technik "Monolith-Technik". Der damals
erschienene Intel 4040 Prozessor arbeitete mit eine "Breite" von vier Bit,
sprich eine Informationseinheit konnte aus vier 0 oder 1 bestehen. Der
Prozessor verfügte über vier Register, Orten in denen Zahlenwerte
eingespeichert wurden und einen relativ geringen Befehlssatz, z.B. Addition,
Subtraktion, Quadrierung etc. - wobei die CPU alle Aktionen auf die Addition
reduzieren muss [ein System was auch noch heute gilt], da die CPU
lediglich 0 oder 1 addieren kann.
Mit den Jahren wurde die Bitbreite und die Taktfrequenz (Anzahl der
Operationen der CPU in einer Sekunde) sowie der Befehlsatz erweitert. Wobei
bei letzteren zu Beginn der 90er Jahren ein Trend der Reduktion einsetzte
[die RISC Technologie]. Grundsatz der RISC Technologie ist die häufig
benutzten Befehle möglichst schnell abarbeiten zu können und
die weniger oft benutzten Befehle durch Kombinationen der häufigen
Befehle aufzugliedern - auf dieser Basis arbeiten zum Beispiel die Transputer,
die Motorola/IBM 60x Serie und Motorolas G3 - wobei auch die gängigen
Intel 80586 und 80686 Prozessoren auf RISC aufbauen, dies jedoch in Kompatibilität
zu den Vorgängern nicht voll ausnutzen.
Ende der 70er Jahre bis Mitte der 80er Jahre hatten die 8-Bit Prozessoren,
zum Beispiel der Z80 der Firma Zilog, der 6502 von MOS und der 8080 von
Intel ihren Höhepunkt. Sehr viele Computersysteme wurden auf diesen
Prozessoren aufgebaut und zum Teil als so genannte "Homecomputer" als Komplettlösung
auf den Markt gebracht. Die Rechenleistung dieser System war ausreichend
für meisten anfallenden Arbeiten und ermöglichten auch die Entwicklung
von Computerspielen, die besonders bei den jüngeren Anwendern zum
Haupteinsatz wurden. 1981 wurde vom Marktführer IBM eine Entwicklungsgruppe
beauftragt ein modulares System für den "persönlichen Einsatz"
(Personal Computer) zu entwickeln, am Abschluss der Arbeit war der
auf dem 16-Bit INTEL 8086 basierende IBM PC markttauglich und begann einen
Siegeszug durch die Computerwelt, obwohl einige Details dieser Architektur
als "fehlerhaft" zu bezeichnen waren. IBM sicherte sich durch Lizenzabkommen
auf lange Jahre seines Marktposition, ermöglichte es jedoch anderen
Unternehmen Hardware für diese Rechnergeneration zu entwickeln. Der
Prozessor - Hersteller INTEL produzierte ein Jahr später einen günstigeren,
aber 100% kompatiblen Prozessor mit Bezeichnung 8088. Dieser Prozessor
arbeitet intern mit einer Breite von 16-Bit, externe Speicherzugriffe werden
jedoch nur mit 8-Bit durchgeführt, so daß zwei Taktzyklen notwendig
sind um die entsprechenden Daten zur Verarbeitung bereitzustellen.
Die nachfolgende Modell 80286 (der 80186 fand kaum Verbreitung) wurde
um einen Betriebsmodus erweitert, in dem es dem Prozessor möglich
ist einen größeren Speicher und mit neuen Befehlen zu arbeiten.
Im "Real-Modus" verhält sich der 80286 jedoch wie ein 100% kompatibler
8086 Prozessor mit höherer Taktfrequenz. Mit der Entwicklung des 80386
wurde ebenfalls ein neuer Betriebsmodus vorgestellt, indem der Prozessor
mehrere virtuelle 8086 Prozessoren generiert und diese pseudosynchron arbeiten
lässt.
Die wesentliche Erweiterung der 386er, der 32-Bit Modus kann nur von
speziell dafür entwickelter Software verwendet werden. Seinerzeit
stand jedoch lediglich OS/2 als 32-Bit Betriebssystem bereit. Dieses von
Microsoft entwickelte Betriebssystem, welches später komplett an IBM
abgetreten wurde, konnte sich jedoch bis heute nur im Bankensektor retten.
IBM selbst schaffte es kaum, OS/2 im Privatsektor zu etablieren - dort
verbreitete sich das Windows 3.x System, welches als 16-Bit Software die
neuen Fähigkeiten des Prozessors kaum ausnutzen konnte (aus die Win-32s
Erweiterung half da nicht viel).
Im Bereich der Netzwerksysteme konnte dem 80386 schneller ein passendes,
leistungsfähiges Betriebssystem entwickelt werden (z.B. Windows NT
und Novell Netware).
Die von Intel entwickelten Folgemodelle : 80486 in SX und DX Versionen,
80586 Pentium verfügten über den gleichen Befehlssatz, wie der
80386 und waren somit lediglich beschleunigte Versionen [wobei sich im
Sinne der Architektur einiges veränderte]. Erst die MMX Erweiterung
brachte Veränderungen im Befehlssatz der x86 Klasse mit sich (dazu
weiter unten).
Die Firma Motorola konnte sich in der 8-Bit Ära mit dem MC6800
gut behaupten und produzierte Anfang der 80er Jahre den MC68000, einen
16/32 Bit Prozessor, der extern mit 16-Bit auf die übrige Umgebung
zugriff, intern jedoch mit 32-Bit arbeitete. Auf Basis dieses Prozessors
wurden die Apple Macintosh, Atari ST und Commodore AMIGA Computer entwickelt
und waren sehr leistungsfähige Maschinen, die über ein Multitasking
fähiges Betriebssystem die Epoche der grafischen Betriebssysteme einläuteten.
Die Folgemodelle des MC68000, der MC68020 bis MC68060 basieren auf dem
stetigen Ausbau des Befehlssatzes, der Speichergröße und der
Taktfrequenz. Wie oben bereits erwähnt, gilt der 601 Prozessor von
Motorola (in Zusammenarbeit mit IBM) als wirkliche Weiterentwicklung. Im
Gegensatz zum x86 basierenden INTEL Markt, hatte Motorola auf dem 68xxx
Markt nie mit einer Konkurrenz zu kämpfen. Leistungstechnisch liegen
die Entwicklungen von INTEL und Motorola sehr dicht beieinander.
Allein durch die Erhöhung der Taktfrequenz und der Erweiterung
der Bitbreite konnte die Leistung von CPUs kaum noch erhöht werden,
da sich im alltäglichen Gebrauch immer neuere Flaschenhälse zeigten
:
- die Geschwindigkeit der grafischen Ausgabe
- die Bereitstellung von Daten zu Berechnung (Speichergeschwindigkeit)
Bei Auslastungstest zeigte sich, dass der Zentralprozessor große
Zeiten auf Daten wartet, so wurden dem Prozessor eigene Speicherbereiche
eingefügt (Level One Cache Memory), um auf Daten schneller zugreifen
zu können. Mit Hilfe eines komplexen Algorithmus werden Daten aus
dem Hauptspeicher in den Cache-Speicher vorgelesen, die Trefferquote dieser
"Cachetechnologie" liegt erstaunlich hoch. Diesem "Level One" Cache, der
anfangs nicht mehr als einige Byte betrug, wurde mit den Jahren ein "Level
Two Cache" vorgeschaltet - beim AMD K7 wird der vorhandene L2-Cache sogar
zu einem L3-Cache reduziert.
Mit der Entwicklung des Pentium III ging Intel sogar noch einen Schritt
weiter und optimierte die Abfolge der wahrscheinlichen Befehle, indem die
Daten über eine besonders schnell arbeitende "Pipeline" transportiert
werden. Solche tief greifende Veränderung der Prozessorarchitektur
führen unweigerlich zu Kompatibilitäts- Problemen in der Zukunft.
Während die Erweiterung um die "MMX" Befehle, 1996 von Intel entwickelte
Befehle speziell für den Bereich Multimedia ausgelegt, keine größeren
Probleme im Sinne der Kompatibilität aufwarf, wird sich zeigen, ob
"ISSE" (so der Name der neuesten Intel Entwicklung) nicht zu größeren
Problemen führen wird. Während die ebenfalls aus den USA stammende
Firma AMD mit der "3d Now!" Erweiterung einen flexibleren Weg wählte,
da ein "nicht 3Dnow!" Prozessor mit entsprechender Software den verwendeten
Befehl in einzelne Standardbefehle zerlegen kann.
Während es auf dem 80x86-Kompatiblen Markt ein hartes Konkurrenzgebahre
um die höchsten Verkaufszahlen gibt [es standen sich Ende der 90er Jahre Intel, AMD,
IBM, Cyrix, Rise, IDT und andere Unternehmen im Ring] geht es auf dem High- End- Markt
wesentlich beschaulicher und ruhiger zu. Der Alpha-Prozessor gilt Jahr
für Jahr als der schnellste Prozessor für Workstation und auch
Motorolas G3 Serie konnte sich in Messungen (Benchmarking) erneut gut behaupten.
Während bis Anfang der 80er Jahre der Trend dahin ging alle Funktionen
der anfallenden Arbeiten möglichst in einen Prozessor einzubetten,
geht man seit der Entwicklung des Commodore Amiga und Atari ST Computers
auch auf dem regulären Computermarkt dazu über Grafikfunktionen
auszulagern und durch einen gesonderten Grafikprozessor berechnen zu lassen
- ohne das der Hauptprozessor dazu belastet wird.
Coprozessoren [FPU]
Anfang der 80er Jahre, als die 16-Bit Computertypen begannen das Licht
der Welt zu erblicken, war die Entwicklung eines einzelnen Prozessors ein
sehr kostenaufwendiger Prozess. So waren die ersten Prozessoren aus
den x86 und 68x Serien nur mit einer relativ schwachen "Fließkommaeinheit"
-> engl. Floating Point Unit [FPU] ausgestattet. Sprich aufwendige trigonomische
Berechnungen mussten in viele Einzelschritte zerlegt werden, um vom
Hauptprozessor berechnet zu werden.
Um eine möglichst kostengünstige, allgemeine Lösung
für alltäglichen Arbeiten zu schaffen, wurde auf den Einbau einer
FPU verzichtet - ein freier Steckplatz auf dem Mainboard ermöglicht
eine individuelle Aufrüstung durch den Benutzer. Im Bereich der x86
Prozessoren wurden mit dem 8087, 80187, 80287 und 80387 jeweils Coprozessoren
für den passenden Hauptprozessor entwickelt. Der 80486SX ist ein 486er
ohne FPU Einheit, der 80487 ist in Wirklichkeit ein vollwertiger 80486
Prozessor, der den SX abschaltet, sobald er in den Coprozessorslot eingesteckt
wird. Bedingt durch die Veränderung der PINs (der kleinen Anschlussbeinchen)
ist es jedoch nicht möglich, den 80487er direkt in einen üblichen
80486er Slot einzustecken.
Seit der 586er Pentium Generation verfügen alle Prozessoren der
x86 Generation über eine eingebaute FPU, die jedoch - je nach Hersteller
- unterschiedlich gut entwickelt wurde. Im Bereich der FPU ist die Firma
Intel heute den Konkurrenten überlegen, gefolgt von AMD und IBM /
Cyrix. Die IDT Centaur Prozessoren verfügen über eine nur schwach
ausgebildete FPU, was jedoch in dem angebotenem Preissegment kein Wunder
ist -> für die Zielgruppe der Firma IDT reichen die Leistungen jedoch
vollkommen aus.
Heute profitieren vor allem Grafikprogramme und Spielprogramme der
3D Generation von einer starken Fließkommaeinheit.
Bei den 68xxx Prozessoren gibt es ein ähnliches Bild, für
die Typen 68000, 68020 und 68030 wurde spezielle Coprozessoren entwickelt,
die Typen 68881 bis 68882 , der 68040 wurde in der 68LC040 Version ohne
FPU angeboten und kann durch einen vollwertigen 68040 ausgetauscht werden.
Über die FPU Leistung der 68050 und 68060 Modelle liegen mir keine
Informationen vor, da für populäre Computer lediglich Beschleunigerboards
auf Basis dieser Prozessoren entwickelt wurden. Im Bereich der Apple Computer
verfügen die Folgemodelle auf Basis des 60x bzw. G3 Prozessors alle
über eine eingebaute FPU.
Hochtakten
In vielen Computermagazinen oder Newsgroups wird in den letzten Jahren
viel über das wissentliche "übertakten" eines Hauptprozessors
und seiner direkten Umgebung. In jedem anspruchsvollen Magazin wird vor
dieser Methode der Beschleunigung, die zugegeben sehr günstig ist,
gewarnt - da eine solche Maßnahme auf jeden Fall den Verlust der
Herstellergarantie nach sich zieht und zum zweiten die Lebenserwartung
eines Computers deutlich senken "kann".
Die Erfahrungen, die ich persönlich mit dem Übertakten gesammelt
habe, sind durch die Bank positiv - wenn ein gewisser Rahmen eingehalten
wird. Mit dem Wissen um das subjektive Gefühl einer Beschleunigung,
weiß jeder Anwender, der einen Computer durch ein leistungsfähigeres
Modell ausgetauscht hat, dass nur die Verdoppelung der Taktfrequenz
zu einer spürbaren Beschleunigung führt. In den meisten Fällen,
bringt eine Erweiterung des Arbeitsspeicher höhere, subjektive Beschleunigungswerte.
Wie auch immer - ist eine bewusste Übertaktung einer CPU um 10
Prozent mit Sicherheit gefahrlos durchzuführen. Eine Beschleunigung
von mehr als zehn Prozent sollte nur unter Einsatz von aktiven Kühlkörpern
in Form von Lüftern etc. durchgeführt werden, da die entsprechende
Hardware enormer Hitze ausgesetzt werden kann.
Sehr gute Erfahrung habe ich mit Modellen der 286er, 386er und 486er
Klasse gemacht, bei denen auch eine Übertaktung von mehr als 20 Prozent
ohne Kühlung auf Dauer (mehr als 12 Monate) ohne Probleme durchzuführen
war. Einen Pentium mit 75 MHz aus dem Hause Intel habe ich ebenfalls mehrere
Monate mit 100 MHz betrieben, ohne plötzliche Systemabstürze
oder Anzeichen der Überhitzung - im letzteren Falle habe ich dem System
einen neuen Lüfter verpasst.
Vor allem Intel- und kompatible Computersysteme lassen sich auf drei
Methoden übertakten, im ersten Falle wird der Multiplikator des Bustaktes
z.B. von 2.5 auf 3.0 erhöht - in der zweiten Methode wird der Bustakt
allein erhöht, bei gleichzeitiger Absenkung des Multiplikators, die
dritte ergibt sich aus den ersten beiden Methoden : Multiplikator hoch,
Bustakt herunter. Zu dieser Theorie lassen wir nun ein Beispiel folgen
:
Auf Ihrem Mainboard finden Sie mehrere Jumper (kleine Steckbrücken),
der J-4 wird mit folgenden Stellungen beschrieben : |
