Der Mikroprozessor - wie er arbeitet, wie er funktioniert

Mikroprozessoren stecken in Handys, Automobilen, Satelliten, Haushaltsgeräten und natürlich in Computern, für die er eigentlich erfunden wurde. Eine Welt ohne diese Rechengenies ist heute nicht mehr vorstellbar, da sie das Gehirn eines jeden modernen Gerätes sind. Mikroprozessoren bestehen aus Millionen von winzigen elektronischen Halbleiterelementen, den Transistoren, die zum Schalten und Verstärken von elektrischen Strömen und Spannungen verwendet werden und deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.

Den weltweit ersten kommerziellen Mikroprozessor stellte Intel im November 1971 vor. Das Modell 4004 wurde zunächst für den Einsatz in kleinen Tischrechnern entwickelt, den Vorläufern der Taschenrechner. Der Intel 4004 bestand aus 2300 Transistoren und schaffte rund 60.000 Rechenoperationen pro Sekunde. Zum Vergleich: Ein aktueller Intel Core 2 Duo-Prozessor setzt sich aus 291 Millionen Transistoren zusammen und verarbeitet mehrere Hundert Millionen Rechenoperationen pro Sekunde.

Das Bauprinzip von Mikroprozessoren
Alle Mikroprozessoren (auch CPU = Central Processing Unit) sind in ihrem Prinzip gleich aufgebaut. Sie bestehen aus logischen Funktionseinheiten, die durch Befehlssätze gesteuert werden und arithmetische Berechnungen ausführen. Die Verbindungen zwischen den Funktionsblöcken und damit die Datenübertragung erfolgt über das Bussystem. Hier eine grobe Übersicht der Komponenten:

a) Steuerwerk (CU = Control Unit)
Die CU ist die Kommandozentrale der CPU. Sie steuert alle Abläufe im Innern des Prozessors sowie seine Kommunikation nach außen zu den Peripheriegeräten und die Zusammenarbeit mit den anderen Komponenten des Prozessors. In der Control Unit sind alle Kommandos, die der Mikroprozessor ausführen kann, abgelegt. Hier findet auch die Dekodierung der Befehle statt.

b) Rechenwerk (ALU = Arithmetic Logic Unit)
Die ALU ist für die Rechenvorgänge in der CPU zuständig. Außer mathematischen Berechnungen führt das Rechenwerk auch logische Vergleiche durch. Erst durch das Rechenwerk ist die CPU in der Lage, Prüfungen auf Gleichheit, Ungleichheit und Größe durchzuführen und damit den Anweisungen eines Programms entsprechend zu handeln.

c) Interner Speicher
Zum internen Speicher gehören wichtige Register, die als Zwischenspeicher dienen und den Zugriff auf Befehle und Daten ohne Wartezyklen ermöglichen. Der L1-Cache etwa ist ein schneller Zwischenspeicher, der im Takt der CPU arbeitet und die am häufigsten benötigten Befehle und Daten enthält. Ziel ist es, möglichst wenige Zugriffe auf den langsamen Arbeitsspeicher notwendig zu machen.

Transistoren - ihre Aufgabe und Funktionsweise
Ein Mikroprozessor besteht aus Millionen von Transistoren, winzigen elektronischen Schaltern. Ähnlich einem Lichtschalter haben auch Transistoren zwei „Zustände“: Ein und Aus. Das ist für die Computerentwicklung entscheidend. Je nach Schaltzustand gibt ein Transistor die Information „0“ (Aus, kein Strom) oder „1“ (Ein, Strom) weiter und verarbeitet damit die Nullen und Einsen in der digitalen Welt.

Mit verschiedenen Sequenzen und Mustern von 0 und 1, die von vielen Transistoren erzeugt werden, lassen sich Buchstaben, Zahlen, Farben oder Grafiken in der so genannten binären Schreibweise darstellen. Die Binärziffern 0 und 1 werden auch als Bit bezeichnet. Der Buchstabe A beispielsweise wird binär in der Zahlenfolge 0100 0001 dargestellt, B als 0100 0010, C als 0100 0011, D 0100 0100 oder E als 0100 0101.

Der Durchbruch für die Transistoren erfolgte 1958 mit der Erfindung des Integrierten Schaltkreises (Integrated Circuit), der die Entwicklung von Mikroprozessoren überhaupt erst ermöglichte. Mehreren Ingenieuren, darunter Intel Mitbegründer Robert Noyce, gelang es, zwei Transistoren und ihre Verbindung mit einem photo-chemischen Verfahren direkt auf das Halbleiter-Material Silizium aufzubringen. Kristallines Silizium ist das Grundmaterial schlechthin für die Mikroelektronik.

Da seine elektrische Leitfähigkeit als Halbleiter stark temperaturabhängig ist, fungiert Silizium je nach Temperatur sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Bor oder Phosphor, lassen sich die elektrischen Eigenschaften von Silizium nachhaltig beeinflussen und damit verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Silizium, das beispielsweise Bor enthält, wird als p-type Silizium bezeichnet. Das p steht für positive Ladung oder fehlende Elektronen. Silizium mit Phosphor-Elementen heißt n-type Silizium; das n steht hier für negative Ladung und eine Mehrheit von Elektronen.

Die Funktionsweise eines Transitors (Ein/Aus) sei hier am Beispiel des Feldeffekttransistors (FET = Field-Effect Transistor) beschrieben. Ein FET besteht aus den Anschlüssen Source (engl. Quelle, Zufluss), Gate (Tor, Gatter) und Drain (Abfluss). Der Strom fließt beim Transistor zwischen Source und Drain oder umgekehrt. Das Gate schaltet durch eine Veränderung der Spannung den Transistor ein und aus.

Beim n-type Transistor sind Source und Drain negativ geladen und auf positiv geladenem p-Silizium aufgebracht. Wird das Gate positiv geladen, werden die Elektronen im p-Silizium in den Bereich unter das Gate angezogen und formen einen Strom führenden Kanal zwischen Source und Drain. Legt man nun eine positive Spannung am Drain an, bewegen sich die negativ geladenen Elektronen von der Source zum Drain, der Transistor befindet sich im Zustand „Ein“. Wird die Spannung am Gate abgeschaltet, bricht die Verbindung zwischen Drain und Source ab, der Transistor ist “Aus“.

Programmablauf im Prozessor
Da die Befehle eines Programms in binärer Form in den Speicher geschrieben werden, kommt den beiden Zuständen des Transistors entscheidende Bedeutung zu. Jede Aktion, die der Nutzer startet, wird in einen binären Code (besteht aus 1 und 0) übersetzt und dann im Cache gespeichert, um auf weitere Befehle zu warten. Diese Aktion läuft sehr schnell abund pro Sekunde sind Tausende von Rechenoperationen möglich. Im Prozessor sieht der Programmablauf grundsätzlich folgendermaßen aus:

1. Abholphase (Fetch): Im ersten Schritt lädt der Prozessor einen Befehl (beispielsweise wurde die Zahltaste 2 gedrückt) aus dem Speicher in eines der Register. Ist die gesuchte Information neu und befindet sich nicht bereits im CPU-internen L1-Cache, wird die Anfrage direkt an den Hauptspeicher gerichtet. Über das Bus-System gelangt der neue Befehl vom Hauptspeicher in den CPU-Cache, wo ihm der Code „2=X“ zugeordnet wird. Drückt man beispielsweise die Zahltaste 3, würde er den Code „3 =Y“ schreiben.
2. Dekodierphase (Decode): In der Dekodierphase wird der Befehl „2=X“ oder „3=Y“ in den binären Code übersetzt und an das Steuerwerk (CU) geschickt. Das Steuerwerk untersucht den Befehl hinsichtlich der vorzunehmenden Arbeitsschritte. Es entscheidet, welche Operation (Addition, Subtraktion, logische Verknüpfung und so weiter) das Rechenwerk (ALU) auszuführen hat. Beim Beispiel 2+3 wäre das „X+Y=Z“. Sind für den Befehl noch weitere Daten notwendig, steuert das ebenfalls die CU.
3. Ausführungsphase (Execute): Das Steuerwerk weist die ALU nun an, die gewünschte Operation mit den geladenen Daten auszuführen, das heißt 2 und 3 zu addieren.
4. Schreibphase (Write Back): Das Ergebnis der Operation, also 5, landet in einem der Register oder im Speicher. Um langwierige Zugriffe auf den externen Speicher zu vermeiden, sammelt die CPU die Daten im L1-Cache, damit sie später in einem schnellen Blockschreibvorgang übertragen werden können.

Prozessoren der Zukunft
Mikroprozessoren werden immer schneller und kleiner, zugleich geht der Trend zu Multicore-Prozessoren. Dual Core-Prozessoren (Zwei-Kern-Prozessoren) wie der Intel Core 2 Duo enthalten in einem Gehäuse zwei vollwertige CPUs. Damit sind sie wesentlich leistungsfähiger als Prozessoren mit nur einem Kern. Möglich wurden Mehrkernprozessoren durch eine weitere Verkleinerung der Transistoren. Aktuell fertigt Intel seine CPUs mit einer Strukturbreite von 65 Nanometer (nm), in Kürze sogar von nur 45 nm. Doch das ist noch lange nicht das Ende der Miniaturisierung.

Im zweiten Halbjahr 2007 bringt Intel die Penryn-Familie auf den Markt, mit der Dual-Core Prozessoren dann über mehr als 400 Millionen Transistoren verfügen, Vier-Kern-CPUs über mehr als 800 Millionen. Die enorm hohe Anzahl an Transistoren sorgt für höhere Rechenleistung, schnellere Taktraten und weniger Stromverbrauch. Damit ermöglichen sie zum Beispiel die Bauweise immer kleinerer und anwenderfreundlicher Notebooks oder die Durchführung komplexer Anwendungen im Media- und Hochleistungsrechnerbereich, wie Echtzeit-Video Streaming Applikationen oder große Rechencluster für umfassende wissenschaftliche Projekte in der Physik.

Intel, das weltweit führende Unternehmen im Bereich Halbleiterinnovation, entwickelt Technologien, Produkte und Initiativen, um Leben und Arbeit der Menschen laufend zu verbessern.