Leseprobe - HERDT

ICT Power-User SIZ und ICT Supporter
SIZ 2010 Modul 133:
Hardware evaluieren
Michael Raith, Tobias Schießl,
Dr. Hendrik Siegmund, Konrad Stulle
1. Ausgabe, September 2010
SIZ-133-2010
I
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
1 Mit diesem Buch arbeiten.......................4
1.1
1.2
Der ICT Power-User SIZ und
der ICT Supporter SIZ ..................................... 4
7.1
Funktionsübersicht Grafikkarten..................64
7.2
Grafikstandards.............................................65
Was Sie wissen sollten.................................... 6
7.3
VGA-Grafikkarten .........................................66
7.4
Grafikprozessor und Beschleunigung ..........67
7.5
Video-RAM ....................................................68
7.6
Bustypen und Schnittstellen
für Grafikkarten ............................................70
7.7
Grafikschnittstellen .......................................71
2 Hauptplatine, Netzteil und Gehäuse .....8
2.1
Die Hauptplatine (Mainboard) ...................... 8
2.2
Komponenten des Mainboards ..................... 9
2.3
Chipsatz ........................................................ 11
2.4
Steckplätze ................................................... 13
2.5
Anschlüsse..................................................... 14
2.6
Baugrößen von Mainboard und Gehäuse .....15
8.1
Aufgaben von Erweiterungssteckkarten......74
2.7
Netzteil ......................................................... 18
8.2
Netzwerkkarten ............................................75
8.3
Modem ISDN und DSL...................................76
8.4
Soundkarten..................................................77
8.5
Controller ......................................................79
3 Prozessor.................................................20
8 Erweiterungssteckkarten ..................... 74
3.1
Funktion der CPU ......................................... 20
3.2
Leistungsmerkmale moderner
Prozessoren................................................... 22
3.3
Aufbau einer CPU......................................... 26
9.1
Definition von Schnittstellen ........................80
3.4
Betriebsmodi des Prozessors ........................ 29
9.2
Serielle Schnittstelle (RS 232C)......................81
3.5
Aktuelle Prozessoren.................................... 31
9.3
Parallele Schnittstelle (IEEE 1284).................84
3.6
Prozessorkühlung ......................................... 35
9.4
USB.................................................................87
9.5
IEEE 1394 .......................................................89
9.6
Bluetooth ......................................................90
4 Bussysteme.............................................38
9 Schnittstellen ......................................... 80
4.1
Definition Bussysteme.................................. 38
4.2
Ältere Bussysteme ........................................ 40
4.3
PCI-Bus .......................................................... 40
10.1
Einteilung von Speichermedien....................92
4.4
Der AGP-Anschluss ....................................... 43
10.2
Diskettenlaufwerke.......................................93
4.5
Der CNR-Bus.................................................. 44
10.3
Flash-Speichermedien und Microdrives........94
4.6
Der PCI-Express-Bus ...................................... 44
10.4
Festplattenlaufwerke....................................95
4.7
PCMCIA/CardBus........................................... 45
10.5
IDE- und EIDE-Schnittstellen .........................97
4.8
Übersicht über die Bussysteme .................... 46
10.6
SCSI-Festplatten...........................................100
10.7
Weitere Festplattenschnittstellen ..............102
10.8
RAID-Systeme ..............................................103
10.9
Optische Medien .........................................104
5 Speicher ..................................................48
5.1
Speichertechnologien .................................. 48
5.2
Der Arbeitsspeicher ...................................... 51
5.3
Speicheroptimierung.................................... 55
5.4
Cache-Speicher ............................................. 56
6 I/O-Ports, DMA, IRQ,
Speicheradressen ...................................58
2
7 Grafikkarten........................................... 64
6.1
Einführung zu Systemressourcen................. 58
6.2
I/O-Ports ........................................................ 59
6.3
DMA.............................................................. 60
6.4
IRQ ................................................................ 60
6.5
Plug & Play.................................................... 62
10 Massenspeicher ..................................... 92
10.10 Bandlaufwerke............................................108
11 Ein- und Ausgabegeräte ..................... 112
11.1
Tastatur .......................................................112
11.2
Maus und Trackball.....................................114
11.3
Scanner ........................................................115
11.4
Drucker ........................................................118
11.5
Monitor .......................................................121
© HERDT-Verlag
I
Inhalt
12 Auswahlkriterien für PCs
und Notebooks.....................................128
14.8
BIOS-Hardware-Monitor............................. 160
14.9
BIOS-Passwörter.......................................... 161
14.10 Vorarbeiten für ein BIOS aktualisieren...... 163
12.1
Angebot, Auswahlkriterien und
Auswahlstrategien...................................... 128
12.2
Arbeitsplatz-PC ........................................... 130
14.11 BIOS-Update mit Boot-Diskette
durchführen ................................................ 165
12.3
Spiele-PC...................................................... 131
14.12 BIOS-Update von Diskette durchführen .... 166
12.4
Multimedia- oder Videoschnitt-PC............. 132
14.13 Absturz beim BIOS-Update - was nun?...... 168
12.5
Internet-PC .................................................. 133
14.14 Booten eines Betriebssystems .................... 168
12.6
Auswahl und Anforderungen
für Notebooks ............................................. 134
14.15 Optionen des Systemstarts ......................... 170
12.7
Entscheidung für einen PC treffen............. 135
15 Ergonomische und UmweltschutzAspekte................................................. 172
13 PC montieren........................................136
15.1
Ergonomie bei Bildschirmarbeitsplätzen..... 172
Arbeitsplatzanalyse .................................... 172
EDV und Umweltschutz.............................. 176
13.1
PC öffnen und schließen............................. 136
15.2
13.2
Sicherheitstechnische Prüfung ................... 139
15.3
13.3
Arbeitsspeicher aufrüsten .......................... 140
13.4
Grafikkarte einbauen ................................. 141
13.5
Festplatte einbauen .................................... 142
13.6
DVD-Laufwerk einbauen ............................ 144
14 Startvorgang des Computers .............146
14.1
Funktionsübersicht ..................................... 146
14.2
BIOS-Grundeinstellungen ........................... 148
14.3
Erweiterte BIOS-Einstellungen ................... 149
14.4
Power-Management-Einstellungen ........... 152
14.5
PCI/Plug-&-Play-Einstellungen .................... 154
14.6
Einstellungen der integrierten
Schnittstellen............................................... 156
14.7
CPU-Einstellungen ...................................... 159
© HERDT-Verlag
16 Fehlersuche und -beseitigung............ 178
16.1
BIOS-Startbildschirm................................... 178
16.2
Fehlersuche mit Diagnose- und
Testprogrammen ........................................ 180
16.3
BIOS-Diagnose ............................................ 181
16.4
Elektrische Diagnose................................... 184
16.5
Serielle Kommunikation testen.................. 186
16.6
Parallelschnittstelle testen ......................... 186
Stichwortverzeichnis ............................... 188
3
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
3
Prozessor
In diesem Kapitel erfahren Sie
f wie ein Prozessor funktioniert
f aus welchen Komponenten ein Prozessor aufgebaut ist
f welche Betriebsmodi Intel-Prozessoren besitzen
f welche Prozessoren Intel und AMD vertreiben
Voraussetzungen
D Physikalische Grundlagen
D Technisches Verständnis
3.1
Funktion der CPU
Von-Neumann-Architektur
Die meisten Computer arbeiten nach dem EVA-Pinzip, das
heißt, sie besitzen Geräte zur Eingabe, Verarbeitung und
Ausgabe von Daten. Ein populäres Konzept für den Aufbau
des Verarbeitungsgerätes ist die Von-Neumann-Architektur, die bereits 1949 vom Mathematiker John von Neumann
entwickelt wurde. Sie besteht im Wesentlichen aus vier
Funktionseinheiten:
D
D
D
D
Rechenwerk 
Steuerwerk 
Steuerwerk
Rechenwerk


Speicher

 Schnittstellen (Bussystem)
Speicher 
Ein- und Ausgabeeinheit 
Eine weitere wichtige Komponente, das Bussystem, bietet
die Schnittstellen  für die Kommunikation der einzelnen
Komponenten untereinander und mit der Außenwelt.

Eingabe/Ausgabe
Hauptkomponenten des Verarbeitungsgerätes
Im PC sind wesentliche Teile dieser Architektur in einem zentralen Baustein zusammengefasst, der Central
Processing Unit (CPU). Die CPU kontrolliert den kontinuierlichen Datenfluss zwischen den einzelnen Funktionseinheiten. Die Daten entstammen dem Arbeitsspeicher oder den angeschlossenen Geräten (Tastatur,
Laufwerke etc.). Nach der Verarbeitung wird das Ergebnis an den Arbeitsspeicher oder an ein Gerät geschickt.
Die CPU lädt eigenständig den nächsten auszuführenden Befehl zur Datenverarbeitung. Die eigentliche
Arbeit der CPU ist dann das Berechnen und Verschieben von Daten.
Der Von-Neumann-Rechner arbeitet sequenziell, Befehle und Daten aus dem Speicher werden also schrittweise nacheinander abgearbeitet. Das Bussystem entpuppt sich dabei als Flaschenhals, weil vor und nach
jedem Verarbeitungsschritt dieselben Leitungen verwendet werden müssen. Eine Verbesserung gelang mit
der Entwicklung einer hierarchisch gegliederten Speicherstruktur, bestehend aus Registern und verschiedenen Speicherebenen (Cache-Ebenen). Häufig genutzte Daten und Befehle können dabei in schnellen separaten Cache-Speichern abgelegt werden. Darüber hinaus erreichen neue CPU-Generationen durch feinere
Aufteilung der Funktionseinheiten und eine Erweiterung der Befehlssätze bereits eine teilweise parallele
Arbeitsweise. So können pro Ausführungszyklus mehrere Daten verarbeitet werden.
20
© HERDT-Verlag
3
Prozessor
Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht der Funktionseinheiten einer CPU:
Funktionseinheit
Funktion
IDU
Instruction Decode Unit
Befehlsdecoder: Alle eingehenden Befehle, die den Prozessor als Programm
erreichen, werden in einen Mikrocode übersetzt und an die ausführende Einheit übergeben.
EXU
Execution Unit
Ausführungseinheit: Alle Befehle, die nun im Mikrocode vorliegen, werden
ausgeführt.
COL
Control Logic
Kontrolleinheit: Sie sorgt für eine Kontrolle im Ablauf der Mikrocodes.
BIL
Bus Interface Logic
Bussteuereinheit: Sie überwacht und steuert den Bus.
ALU
Arithmetic Logic Unit
Arithmetisch-logische Einheit: Sie ist zuständig für die Ausführung arithmetischer (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division) und logischer Rechenoperationen (UND, ODER, NICHT).
FPU
Floating Point Unit
Fließkomma-Rechner: Von ihm werden Berechnungen mit Fließkommazahlen
durchgeführt.
DC
Data Cache
Daten-Cache-Speicher: Er dient als schneller Datenzwischenspeicher.
CC
Code Cache
Befehls-Cache-Speicher: Er dient als schneller Befehlszwischenspeicher.
Steuerwerk oder Leitwerk
Das Steuerwerk ist die mitunter umfangreichste Zusammenfassung unterschiedlicher Funktionsblöcke. Es
besteht aus den verschiedenen Kontrolleinheiten, in denen sämtliche Vorgänge im Computer kontrolliert und
gesteuert werden.
Befehlsdecoder
Der Befehlsdecoder (IDU - Instruction Decode Unit) ist auf dem Prozessor oft mehrmals in einer parallelen
Anordnung vorhanden. Dies erlaubt eine kürzere Zeitspanne für die Befehlsdurchführung. Auch die Ausführungseinheit (EXU - Execution Unit) ist bei vielen Prozessoren mehrmals vorhanden.
Rechenwerk
Zum Rechenwerk gehören neben der ALU (Arithmetic Logic Unit) und der FPU (Floating Point Unit) auch
Register, in denen Daten zwischengespeichert werden können. Nur mithilfe der arithmetisch-logischen
Einheit (ALU - Arithmetic Logic Unit) kann der Prozessor Gleichheits- und Ungleichheitsprüfungen sowie
Größenbestimmungen durchführen. Nur dann können alle Anweisungen eines Programms abgearbeitet
werden.
Fertigungstechniken
Die CPU basiert auf der Mikrochiptechnologie. Dabei werden - derzeit bis zu 500 - Millionen Transistoren als
elektronische Schalter auf einem nur wenige Quadratzentimeter großen Träger aus Halbleitermaterial (meist
Silizium) implantiert, dem Mikrochip. Daraus leitet sich auch die Bezeichnung Mikroprozessor ab. Funktion
und Aufgabengebiet des Prozessors werden durch Anzahl und logische Verknüpfung der Transistorfunktionen festgelegt.
Zum Schutz vor mechanischen Belastungen werden die Mikrochips in einem Gehäuse aus Kunststoff oder
Keramik untergebracht. Von außen zugängliche Pins (Kontakte) sorgen für den elektrischen Anschluss.
Da die Miniaturisierung an ihre physikalischen Grenzen stößt, sind die Hersteller Intel und AMD dazu übergegangen, zwei, drei oder vier Prozessoren in einem Gehäuse zusammenzufassen (Intel Core 2 Duo, AMD
Athlon64 X2, bzw. Intel Core 2 Quad, AMD Phenom X3 und X4). Dies steigert die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Befehle, ohne die Taktfrequenz und damit die Wärmeproduktion zu erhöhen.
© HERDT-Verlag
21
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
3.2
Leistungsmerkmale moderner Prozessoren
Leistungsmerkmale der CPU
Die wichtigsten Eigenschaften von Prozessoren lassen sich am einfachsten mit folgenden Kenngrößen und
Technologien beschreiben:
D
D
D
D
Taktfrequenz (intern und extern)
D
D
D
D
die Zahl der CPU-Kerne im Prozessorgehäuse (Muti-Core-Prozessoren)
Anzahl der pro Sekunde verarbeiteten Befehle (MIPS)
Anzahl der pro Sekunde verarbeiteten Gleitkomma-Operationen (FLOPS)
die Art des Befehlssatzes oder die Möglichkeiten zur parallelen Abarbeitung von Befehlen (multithreading)
Cache
die Busbreite (64-Bit)
die Art des Befehlssatzes (MMX, 3dNow!, SSE)
Taktfrequenz/CPU-Geschwindigkeit
Die CPU verarbeitet Daten und Befehle in einem festgelegten Rhythmus, der durch einen Taktgeber (clock) festgelegt wird. Die Anzahl der Taktimpulse pro Sekunde, die der Taktgeber abgibt, ist im physikalischen Sinne eine
Frequenz und wird deshalb in Hertz angegeben (1 Megahertz = 1 MHz =1 Million Taktimpulse pro Sekunde).
Jede Anweisung eines Programms, die von der CPU ausgeführt wird, erfordert eine bestimmte Anzahl von
Taktimpulsen. Je höher die Taktfrequenz ist, umso schneller können einzelne Programmanweisungen bearbeitet werden. Ein Programm, das von einer CPU mit 1 GHz in 30 Sekunden ausgeführt wird, kann demzufolge auf einer vergleichbaren 2-GHz-CPU in 15 Sekunden ablaufen. Für den Leistungsvergleich von CPUs
einer Familie eines Herstellers kann also die Taktrate als Leistungsmerkmal herangezogen werden.
Die Taktfrequenz wird deshalb oft mit der "Geschwindigkeit" einer CPU gleichgesetzt und als ausschlaggebender Faktor beim Prozessor- oder Computerkauf missbraucht: höhere Taktfrequenz = höhere Leistung.
Dieser Vergleich ist aber grob vereinfachend und so wenig aussagekräftig wie der Vergleich von maximalen
Motordrehzahlen verschiedener Automodelle. Die tatsächliche Leistung einer CPU hängt unter anderem auch
davon ab, wie viele Befehle je Taktzyklus gleichzeitig verarbeitet werden können. Hier gibt es deutliche
Unterschiede zwischen verschiedenen Herstellern und Prozessorarchitekturen, die an der Taktfrequenz nicht
erkennbar sind.
Der Vergleich eines vollständigen Computers allein aufgrund der Taktfrequenz der CPU ist noch weniger aussagekräftig. Hier bestimmen viele weitere Parameter und Komponenten die Systemleistung.
Neuere Computersysteme verfügen über einen variablen Taktgeber, der meist im Chipsatz der Hauptplatine
enthalten ist und zur Steuerung der Hauptplatinengeschwindigkeit und der Geschwindigkeit der CPU dient.
Moderne Prozessoren tauschen ihre Daten zwar mit der Taktgeschwindigkeit der Hauptplatine aus, können
intern jedoch mit einem Vielfachen dessen rechnen. Der variable Taktgeber wird auf die benötigte Taktgeschwindigkeit der Hauptplatine eingestellt (Front Side Bus-Takt, FSB-Takt), die interne Rechengeschwindigkeit des Prozessors ergibt sich dann aus diesem FSB-Takt multipliziert mit einem halb- oder ganzzahligen
Multiplikator. Dieser Multiplikator wurde früher ebenfalls auf der Hauptplatine eingestellt, ist aber heute
fest im Prozessor verdrahtet und damit vom Hersteller des Prozessors vorgegeben.
Einige Beispiele zur Berechnung der Taktfrequenz bei Prozessoren
Prozessor
22
Interne
Taktfrequenz
Taktmultiplikator
Taktfrequenz des Mainboards
Intel Celeron 2400
2400 MHz
6x4
400 MHz (100 MHz × 4)
Intel Pentium 4 2.4 GHz
2400 MHz
4,5 x 4
533 MHz (133 MHz × 4)
Intel Pentium 4 3.2 GHz
3200 MHz
4x4
800 MHz (200 MHz × 4)
Intel Pentium D
2 x 3400 MHz
17
800 MHz (200 MHz × 4)
(Front Side Bus-Takt)
© HERDT-Verlag
3
Prozessor
Prozessor
Interne
Taktfrequenz
Taktmultiplikator
Taktfrequenz des Mainboards
Intel Pentium E
2 x 3800 MHz
19
800 MHz (200 MHz × 4)
Intel Pentium Dual Core E 2200
2 x 2200 MHz
11
800 MHz (200 MHz × 4)
Intel Pentium Core 2 Duo E8400
2 x 3000
9
1333 MHz (333 MHz × 4)
Intel Core 2 Quad Q9550
4 x 2033 MHz
8,5
1333 MHz (333 MHz × 4)
Intel Core 2 Extreme QX9770
4 x 3200 MHz
frei wählbar
1600 MHz (400 MHz × 4)
AMD Duron 1300
1300 MHz
6,5 x 2
200 MHz (100 MHz × 2)
AMD Athlon TB 1100
1100 MHz
5,5 x 2
200 MHz (100 MHz × 2)
AMD Athlon TB 1333
1333 MHz
5x2
266 MHz (133 MHz × 2)
AMD Athlon XP 3200+
2200 MHz
11 x 2
200 MHz (100 MHz × 2)
AMD Athlon 64 4000+
2400 MHz
12 x 2
200 MHz (100 MHz × 2)
AMD Athlon 64 X2 6000+
2 x 3000 MHz
15 x 2
1000 MHz (200 MHz x 5)
Phenom X3 8600
3 x 2300 MHz
11,5 x 3
1000 MHz (200 MHz x 5)
Phenom X4 9750
4 x 2400 MHz
12
1000 MHz (200 MHz x 5)
AMD Athlon 64 FX 74
4 x 3000 MHz
frei wählbar
200 MHz (100 MHz × 2)
(Front Side Bus-Takt)
Systemleistungsvergleich
Prozessortyp
Transistoren
(inkl. Cache
on Die)
MIPS
Leistungsaufnahme
in Watt
Volt
Interne
Taktfrequenz
[in MHz]
Eingeführt
Pentium 4 und
Celeron für Sockel
478
42 - 55 Mio.
3.200 - 9.370
maximal 81
bzw.
maximal 77
1,55
1,75
1.200 - 3.200
Aug. 2000
Intel Pentium D
250 Mio.
- 21.000
95,
maximal 144
1,2-1,4
2 x 2.800 3600
April 2005
Intel Pentium E
250 Mio.
11.000
130,
maximal 148
1,2-1,4
2 x 3.200 3.730
April 2005
Intel Pentium Core
2 Duo
410 Mio.
20.000-28.000
65
0,851,3625
2 x 3000
Januar
2008
Intel Core 2 Quad
820 Mio.
37.00-47.000
95
0.85 –
1.3625
4 x 2833
Januar
2008
AMD K6-2
9,3 Mio.
660 - 1.360
14 - 30
2,2-2,4
266 - 550
Mai 1998
AMD K6-III
21,3 Mio.
870 - 1.240
18 - 30
2,2-2,4
350 - 500
Mai 1998
AMD Duron
25 Mio.
2.260 - 4.900
42 - 60
1,5 1,6
1,75
600 - 1.800
Juli 2000
AMD Athlon XP
37 Mio.
5.270 - 8.280
60 -76
1,6 1,51,65
1.400 - 3.000
Okt. 2001
AMD Athlon 64
68 - 105 Mio.
2800 - 5.500
67 - 89
1,35-1,4
1,5-1,55
2.000 - 2.400
Juni 2004
AMD Athlon 64 X2
233 Mio.
8.000 - 10.000
89 - 110
1,35-1,4
2 x 2.000 2.600
Mai 2005
Phenom X3
463 Mio.
23.000
95
1,05-1,25
3 x 2.100 2.500
März
2008
Phenom X4
463 Mio.
23.000 - 35.000 65 - 140
1,2-1,3
4 x 1.800 2600
März
2008
© HERDT-Verlag
23
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
Übersichten über aktuelle Prozessorleistungen finden Sie im Internet auf den Homepages der Prozessorhersteller oder EDV-Zeitschriftenverlage.
http://www.intel.com/deutsch/
http://www.amd.com/de-de/
http://www.pc-erfahrung.de/CPUHistorie.html
http://www.tomshardware.com/de/charts/prozessoren,6.html
Programme zum Auslesen der Informationen aus einem Prozessor sind z. B.:
CPU-Z: http://www.cpuid.com/
SiSoftware Sandra: http://sisoftware.co.uk/sandra/
WCPUID: http://www.h-oda.com/
Die Leistungsfähigkeit der Prozessoren messen
Benchmark
Benchmarking (Benchmark = engl. Maßstab) von Hardware bedeutet die Messung der Leistungsfähigkeit der
einzelnen Komponenten. Dabei werden die zu vergleichenden Komponenten nacheinander in denselben
Computer eingebaut und mit verschiedenen Benchmark-Programmen getestet. Im Testcomputer sind hochwertige, schnelle Geräte verbaut, um die Leistungsfähigkeit der zu testenden Hardware nicht einzuschränken.
Um eine möglichst praxisnahe Aussage über die Leistungsfähigkeit zu gewinnen, werden neben synthetischen Benchmark-Programmen (z. B. 3dMark06 für Spiele-Performance oder Business Winstone für OfficeProgramme) auch Anwendungen zum Testen genutzt. Sie können beispielsweise mit den entsprechenden
Anwendungen die Zeit messen, die ein Testsystem benötigt, um eine große Datei zu komprimieren, ein Video
zu komprimieren oder eine Grafik zu rendern. So kann für spezielle Ansprüche das richtige System ermittelt
werden.
MIPS
Diese Kenngröße steht für die Abkürzung Millions of Instructions per Second (Millionen Anweisungen
pro Sekunde) und gibt an, wie viele Programmanweisungen eine CPU pro Sekunde bearbeiten kann. MIPS ist
ein wesentlich aussagekräftigeres Leistungsmerkmal als die Taktfrequenz.
MFLOPS
Gemessen werden hierbei die Millions of Floating-Point Operations per Second (Millionen GleitkommaOperationen pro Sekunde). Gleitkomma-Operationen spielen für die Leistungsfähigkeit bei mathematischphysikalischen Berechnungen eine wesentliche Rolle.
Prozessorkomponenten und Befehle
CISC
CISC ist die Abkürzung für Complex Instruction Set Computing und bezieht sich auf die Anzahl verschiedener Befehle, die ein Prozessor versteht. Dies ist ein wichtiges Merkmal der Prozessor-Architektur. CISCProzessoren verfügen über einen umfangreichen Befehlssatz, mit dem auch komplexe Operationen eines
Programms mit Aufruf eines einzelnen Befehls ausgeführt werden können.
RISC
RISC steht für Reduced Instruction Set Computing. RISC-Prozessoren verfügen über einen eingeschränkten
Befehlssatz, können diese Befehle aber meist vollständig in einem Taktzyklus ausführen. Umfangreichere
Befehle werden vor der Bearbeitung in mehrere einfache Teile zerlegt und nacheinander verarbeitet. Entsprechende Programmierung vorausgesetzt, können RISC-Prozessoren eine Leistung erreichen, die deutlich
über derjenigen von vergleichbaren CISC-Prozessoren liegt.
24
© HERDT-Verlag
Prozessor
3
Pipelining
Die Befehlsausführung in einer CPU kann in mehrere Abschnitte unterteilt werden:
D
D
D
D
D
Ein Befehl wird geladen.
Der Befehl wird dekodiert.
Die erforderlichen Daten (Operanden) werden geladen.
Die im Befehl beschriebene Operation wird ausgeführt.
Die Ergebnisse werden zurückgespeichert.
Jeder dieser fünf Abschnitte wird in der Von-Neumann-Architektur nacheinander in einem einzelnen Taktzyklus von der CPU ausgeführt. Damit sind im einfachsten Fall für die Ausführung eines kompletten Befehls
fünf Taktzyklen erforderlich.
Das Pipelining stellt demgegenüber in der CPU Funktionseinheiten bereit, die jeden der einzelnen Abschnitte
unabhängig voneinander bearbeiten. Wird ein Befehl im ersten Taktzyklus von einer Funktionseinheit geladen, wird er im nächsten Taktzyklus von der zweiten Funktionseinheit dekodiert. Die erste Funktionseinheit
kann parallel dazu bereits den nächsten Befehl laden usw. Insgesamt entsteht so nach dem Prinzip der Eimerkette ein System, bei dem jede Funktionseinheit in jedem Taktzyklus ihre Aufgabe erledigt und nicht mehr
auf die Ausführung der übrigen Abschnitte warten muss. Die Befehlsverarbeitung ist so erheblich effektiver,
allerdings wird nach wie vor je Taktzyklus nur ein Befehl von der CPU geladen.
Hyper-Threading
Intel führte 2002 die Hyper-Threading-Technologie ein. Mit dieser Prozessorerweiterung ist es neueren Programmen möglich, mehrere Arbeitsschritte (Threads) gleichzeitig abzuarbeiten, sofern die Programme den
entsprechenden Befehlssatz unterstützen. Bei gleichem Takt werden so die Prozessorressourcen besser ausgenutzt und die Leistung des Computers kann gesteigert werden. Folgende Systeme unterstützen derzeit
Hyper-Threading:
D
D
D
Intel-Pentium-4- mit HT-Erweiterung (ab 3 GHz), Intel-Atom- und neuere Intel-Xeon-Serverprozessoren
AMD-Dual-Core-Prozessoren der Baureihen Athlon 64 X2 und AMD Opteron (Serverprozessor)
Betriebssysteme, die Hyper-Threading unterstützen, sind u. a. Linux ab Kernel 2.4.17, Windows XP,
Windows 2003 Server, Windows Server 2008, Windows Vista und Windows 7.
64-Bit-Prozessoren
2003 führte AMD mit den Athlon-64-Prozessoren die 64-Bit-Technologie (AMD64) im Desktop-Bereich ein. Im
Gegensatz zu "echten" 64-Bit-Prozessoren (Sun UltraSPARC-, IBM-Power-, Alpha- und Intel-Itanium-Prozessor)
arbeitet der Athlon 64 intern mit einem 32-Bit-Prozessor, dessen Register im 64-Bit-Modus adressiert werden
können. Daher ist der Prozessor uneingeschränkt zu heutiger 32-Bit- und sogar alter 16-Bit-Software abwärtskompatibel.
Aufgrund des Markterfolges der AMD64-Prozessoren zog Intel mit dem Befehlssatz EM64T nach. Moderne
Sockel T (775) Pentium 4 E und Pentium-D-Prozessoren sind dank EM64T ebenfalls in der Lage, 64-Bit-Befehle
zu verarbeiten.
D
Desktop-Betriebssysteme als 64-Bit-Versionen sind z. B. Linux, Windows XP Professional x64 Edition (ab
2005), Windows Vista und Windows 7.
D
64-Bit-Server-Betriebssysteme sind z. B. viele Linux-Distributionen und Windows 2003 Server.
Gefordert sind die Hersteller von Komponenten, entsprechende 64-Bit-Treiber für die verschiedenen Betriebssysteme zu entwickeln, und die Programmierer, die Anwendungsprogramme für 64-Bit zu optimieren, um
einen entscheidenden Geschwindigkeitsvorteil gegenüber einer 32-Bit-Umgebung zu erlangen.
Cache
Die CPU ist mit schnellen Zwischenspeichern versehen, in denen häufig verwendete Daten (Data Cache) und
Befehle (Code Cache) abgelegt werden können. Ein Cache kann mit höheren Taktraten angesprochen werden
als der externe Arbeitsspeicher. So lassen sich die Zugriffszeiten auf benötigte Daten deutlich reduzieren, und
die CPU wird für bestimmte Anwendungen leistungsfähiger. Die erzielbare Leistungssteigerung hängt unter
anderem von der Größe dieses Caches, der Busbreite und der Taktrate ab, mit der er angesprochen wird.
Verschiedene Prozessorfamilien verfügen über unterschiedlich leistungsfähigen Cache.
© HERDT-Verlag
25
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
Der Cache besteht meist aus mehreren Ebenen. Ein kleiner Level-1-Cache ist auf dem CPU-Chip selbst untergebracht (on-die) und erlaubt maximale Zugriffsgeschwindigkeiten. Ein deutlich größerer Level-2-Cache
kann entweder on-die, im Prozessorgehäuse oder bei älteren Prozessoren auch auf dem Mainboard angeordnet sein.
Superskalare Architektur
Eine CPU mit superskalarer Architektur kann je Taktzyklus mehrere Befehle entgegennehmen. Dazu wird die
Anzahl der Funktionseinheiten erhöht. Superskalare Prozessoren besitzen die Hardware für jeden Abschnitt
der Verarbeitung mehrmals. Wird beispielsweise die Anzahl der Funktionseinheiten vervierfacht, können vier
Befehle gleichzeitig von der CPU verarbeitet werden. Moderne PC-Prozessoren verwenden meistens eine
Kombination aus Pipelining und superskalarer Architektur.
Multi-Core-Prozessoren
Als Multi-Core-Prozessor (Intel Pentium D, Pentium Dual Core, Core 2 Duo oder Core 2 Quad bzw. AMD
Athlon 64 X2, Phenom X3 oder X4) bezeichnet man eine CPU, bei der zwei, drei oder vier Prozessoren in
einem Prozessorgehäuse vereint sind. Entsprechend angepasste Programme (Bild- und Videobearbeitung
sowie Computerspiele) laufen als parallele Prozesse ab, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht.
Die Entwicklung dieser Bauart kann die Rechenleistung erhöhen, ohne die produzierte Abwärme und den
Stromverbrauch wesentlich zu vergrößern.
3.3
Aufbau einer CPU
Allgemeiner Aufbau
Alle zuvor aufgeführten Mikroprozessoren haben prinzipiell den gleichen Aufbau. Die vielen ICs (Integrated
Circuit oder integrierte Schaltungen) sind sinnvollerweise in verschiedene Aufgabengebiete eingeteilt. Damit
lässt sich ein Zentralprozessor in folgende Komponenten aufteilen:
Befehle vom Arbeitsspeicher
Befehlsregister
Befehlszähler
Befehlsadressen
an den Arbeitsspeicher
Daten vom oder zum
Arbeitsspeicher
prozessorinterne
Adressen
Register für
Operanden und
Ergebnisse
Akkumulator
Befehlsdecodierer
Operationensteuerung
Taktgeber
prozessorinterne
Steuersignale
A
L
U
Statusregister
Leitwerk
Rechenwerk
Steuersignale zu und von
prozessorexternen Einheiten
Aufbau einer CPU
26
© HERDT-Verlag
3
Prozessor
Die Steuereinheit (CU)/das Leitwerk
Die Control Unit (Leitwerk) ist die umfangreichste Komponente eines Mikroprozessors. Sie
setzt sich aus mehreren Einzelteilen zusammen,
deren Zusammenwirken gesteuert werden muss.
Die Steuereinheit ist für die Zusammenarbeit mit
den anderen Komponenten des Mikroprozessors
verantwortlich. Im Einzelnen sind dies folgende
Aufgaben:
D
D
D
externer
ROM
externer
Zusatz-
externer
prozessor(en)
RAM
Treibereinheit
Puffer
Lesen von Daten aus dem RAM
Speichern von Daten im RAM
Bereitstellung, Decodierung und Ausführung von Befehlen
D
Verarbeitung der Eingaben von peripheren
Geräten
D
D
D
Verarbeitung der Ausgaben zur Peripherie
Leitwerk
prozessorinterner
Rechenwerk
prozessorinterner
prozessorinterner
Interrupt-Steuerung
Überwachung des gesamten Systems
Für die Bewältigung dieser vielfältigen Aufgaben
steht der Steuereinheit das Bussystem zur Verfügung.
Steuereinheit (CU)/Leitwerk
Der Adressbus
Das Mikroprozessor-Minimalsystem wurde bereits angesprochen. Ein Teil davon ist das sogenannte Bussystem. Grundsätzlich werden über das Bussystem Daten zwischen den verschiedenen Komponenten des
Prozessors transportiert. Der Adressbus ist für die Übertragung von Speicheradressen zuständig.
Über den Adressbus wird die Adresse einer Speicherzelle im Hauptspeicher bestimmt, die 1 Byte aufnehmen
kann und für eine Verarbeitung angewählt werden soll.
Ein 8086/8088-Prozessor hatte einen Adressbus mit nur 20
Leitungen, was die Grösse des adressierbaren Speichers auf
1 MB beschränkte. Auch die 80286/80386sx-Prozessoren
hatten nur 24 Adressleitungen, womit sich nur 16 MB Speicher ansprechen liessen. Seit dem 80386-Prozessor standen
32 Adressleitungen zur Verfügung, mit deren Hilfe sich 4 GB
Speicher adressieren liessen. Seit dem Pentium Pro/PentiumII-Prozessor ist der Adressbus 36 Bit breit, wodurch sich nunmehr bis zu 64 GB Speicher ansprechen lassen.
Über den Adressbus wird nicht nur der Arbeitsspeicher angesprochen, sondern auch die peripheren Geräte(I/0 Ports).
Steuersignal
Systemspeicher
CPU
Adressbus
Ports
Steuersignal
Adressierung von Speicher und I/O-Einheiten
Adressleitungen
Die Anzahl der Adressleitungen (Busbreite) bestimmt die maximale Anzahl der adressierbaren Speicherplätze
bzw. der Geräteanschlüsse aus Sicht des Prozessors. Die Formel lautet:
2 Anzahl der Adressleitungen = maximal adressierbare Bytes im Arbeitsspeicher bzw.
2 Anzahl der Adressleitungen = maximal adressierbare Anzahl der Geräteanschlüsse
© HERDT-Verlag
27
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
Beispiele für den Adressbus zum Arbeitsspeicher
Prozessortyp
Adressbusbreite
Adressierbarer Speicher
8086 / 8088
20 Leitungen
2 Bytes = 1.048.576 Bytes = 1 MB
80286
24 Leitungen
2
24
Bytes = 16.777.215 Bytes = 16 MB
2
32
Bytes = 4.294.967.206 Bytes = 4 GB
2
36
Bytes = 68.719.476.736 Bytes = 64 GB
80386 / 80486 / Pentium
Pentium Pro / II / III / 4, Celeron
20
32 Leitungen
36 Leitungen
Der Datenbus
Nachdem der Ort der zu lesenden oder zu schreibenden Daten über den Adressbus übermittelt worden ist,
werden die eigentlichen Daten oder Inhalte über den Datenbus übertragen. Über den Datenbus können
sowohl Daten vom/zum Arbeitsspeicher als auch von/zu den peripheren Geräten übertragen werden. Die
Anzahl der Leitungen des Datenbusses (Busbreite) bestimmt, wie viele Bytes zugleich übertragen werden
können; da 1 Byte aus 8 Bits zusammengesetzt ist, ergibt sich die folgende Formel:
Anzahl der Datenbus-Leitungen ÷ 8 = Anzahl gleichzeitig übertragbarer Bytes.
Beispiele für den Datenbus zum Arbeitsspeicher
Prozessortyp
Datenbusbreite
Zugleich kann übertragen werden
8088
8 Leitungen
1 Byte
8086 / 80286 / 80386-SX
16 Leitungen
2 Bytes
80386 DX / 80486
32 Leitungen
4 Bytes
Pentium (alle Typen)
64 Leitungen
8 Bytes
Der Steuerbus
Der Steuerbus ist die Schaltzentrale der
Steuereinheit. Er verbindet die Teileinheiten
eines Mikroprozessorsystems miteinander und
erteilt den einzelnen Komponenten zu gegebener Zeit "das Wort". Im Einzelnen bedeutet dies, dass auf den Leitungen des
Steuerbusses bestimmte Signale angelegt
werden, die die Peripherie oder den Arbeitsspeicher anweisen, Daten zu senden oder
Daten entgegenzunehmen.
Lesen aus dem RAM (RD)
Schreiben in das RAM (WR)
RAM
CPU
Über den Steuerbus können folgende Signale
übermittelt werden:
Eingabe von
D
D
D
D
D
Interrupt-Leitung
Ausgabe zu
Lesen aus dem RAM
Peripherie
Schreiben in das RAM
Eingabe von peripheren Geräten
Steuerbus einer 8086/8088-CPU
Ausgabe zur Peripherie
Interrupt-Signale
Das Rechenwerk/ALU (Arithmetic Logic Unit)
Die ALU ist die eigentliche Grundlage der gesamten EDV und für das Rechnen innerhalb der CPU zuständig.
Ausser diesen mathematischen Berechnungen führt das Rechenwerk auch logische Vergleiche durch. Hierbei
kommen die booleschen Gatter zum Einsatz.
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.
28
© HERDT-Verlag
3
Prozessor
Der Befehlsdecoder
Ein Befehl besteht aus einer Folge von Bits. Der Befehlsdecoder "übersetzt" die über den Bus eingehenden
Befehle und übergibt sie der Ausführungseinheit, die diese dann ausführt. Die CPU geht grundsätzlich davon
aus, dass das nächste gelesene Byte einen Befehl darstellt.
Die Ausführungseinheit
Die Ausführungseinheit empfängt die vom Befehlsdecoder dechiffrierten Befehle und führt sie mithilfe eines
Mikroprogramms aus. Zur Durchführung von Berechnungen übergibt die Ausführungseinheit die zu berechnenden Daten an das Rechenwerk und erhält von dort das Ergebnis wieder zurück.
Die Register
Um auf wichtige Daten während der Ausführung schnell zugreifen zu können und diese dort zwischenzuspeichern, verfügt die Ausführungseinheit über mehrere Speicherplätze innerhalb des Prozessors: die sogenannten Register. Die Register einer 8086/8088/80286-CPU haben eine Grösse von 16 Bit und können demnach 2
Byte an Information aufnehmen; die Register einer 80386/486, Pentium- oder Celeron-CPU haben eine Grösse
von 32 Bit und können daher 4 Byte speichern.
Ein Register besteht aus einer durch die Verarbeitungsbreite eines Mikroprozessors vorgegebenen Anzahl von
Flip-Flops. Ein Flip-Flop ist die kleinste elektronische Speichereinheit. Es kann eine binäre Information, Zustand 0 oder 1, aufnehmen. Jedes einzelne dieser Flip-Flops ist direkt mit dem Datenbus verbunden. Alle in
einem Register abgespeicherten Bits können gleichzeitig auf den Datenbus übertragen werden. Die Geschwindigkeit, mit der auf ein Register zugegriffen werden kann, beträgt einige Nanosekunden. Eine Nanosekunde entspricht einer milliardstel Sekunde (10-9 = 0,000 000 001).
Ein Register ist somit, bezogen auf die Zugriffszeit, der schnellste Speicher in einem Mikroprozessorsystem
überhaupt. Für die Abarbeitung eines Programms sind ständig aktuelle Werte unabdingbar. Beispielsweise
steht in einem Register immer die Adresse der Speicherzelle, die den nächsten Befehl beinhaltet, der abzuarbeiten ist.
3.4
Betriebsmodi des Prozessors
Allgemeines zu den Prozessor-Betriebsmodi
Seit der Entwicklung des 80286-Prozessors bieten die neueren Prozessortypen wesentlich mehr Möglichkeiten, als in der Regel genutzt werden. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei das Betriebssystem DOS. DOS
wurde für die 8086/88-CPU entwickelt und verschließt sich bis heute den wesentlichen Möglichkeiten der aktuellen Prozessoren.
Hauptsächlich war bei Intel mit der Vorstellung des 80286-Prozessors daran gedacht worden, in die Welt des
Multitaskings einzusteigen. Die neuen Prozessortypen mussten in der Lage sein, einen 8086/88-Prozessor zu
emulieren. Die Lösung war, die neueren Prozessortypen in verschiedene Betriebsmodi zu schalten.
© HERDT-Verlag
29
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
Der Real (Address) Mode
Ein Prozessor der Klasse 80286 und höher verhält sich im
Real Mode wie eine 8086/88-CPU. Die neueren Prozessoren
sind aber gegenüber der 8086/88-CPU wesentlich leistungsfähiger und schneller. Für das Betriebssystem DOS macht es
aber keinen Unterschied, ob es mit einem 8086/88 arbeitet
oder mit einem höheren Prozessortyp.
RAM
INTEL
80286/80386
Nach dem Boot-Vorgang arbeitet ein Prozessor der Klasse
80286 und höher stets zuerst im Real Mode. Erst durch einen
speziellen Programmbefehl wird der Prozessor in den
erweiterten Modus (Protected Mode) geschaltet.
Die größten Nachteile eines im Real Mode betriebenen Prozessors sind der nicht vorhandene Schutz der Programme
voreinander (s. u.) sowie die Begrenzung des adressierbaren
Speichers auf 1 MB, da in diesem Modus nur 20 Adressleitungen genutzt werden.
im Real Mode
Max.
1 MB
Der Real Mode
Der Protected (Virtual Address) Mode
Die erste neue Betriebsart, die mit dem 80286-Prozessor
möglich wurde, ist der Protected Mode. Der Prozessor kann
durch einen Maschinenbefehl umgeschaltet werden und
verhält sich dann gänzlich anders als im Real Mode. Vergessen sind die 1-MB-RAM-Grenze und die feste Einteilung des
Hauptspeichers.
RAM
Codesegment 2
INTEL
80286/80386
Alle wichtigen Daten können somit irgendwo im zur Verfügung stehenden Hauptspeicher abgelegt werden. Diese Tatsache birgt allerdings gewisse Risiken in sich. Es muss dafür
gesorgt werden, dass die Daten im RAM nicht von einem
anderen Programm plötzlich überschrieben werden. Zu diesem Zweck wurden Schutzmechanismen eingebaut, die dafür sorgen, dass die Daten auch wieder aufgefunden und
vor allem nicht versehentlich überschrieben werden (Protec- Der Protected Mode
tion - Schutz). Der Protected Mode bietet im Einzelnen folgende Schutzmechanismen:
Datensegment 2
Codesegment 1
Datensegment 1
Überwachung mittels Privilegstufen
Die Daten jedes laufenden Programms werden aufgeteilt in einen Bereich für den Programmcode, das Codesegment und einen Bereich für die zu bearbeitenden Daten, das Datensegment. Diesen Code- bzw. Datensegmenten wird eine Privilegstufe von 0 bis 3 zugeordnet. Je niedriger die Privilegstufe ist, desto geschützter ist
ein Programm bzw. sind dessen Daten.
Sollte ein Programm, dem die Privilegstufe 3 zugeteilt wurde, versuchen, auf ein Segment zuzugreifen, das
durch die Privilegstufe 0 geschützt ist, erkennt der Prozessor eine Fehlersituation und meldet dies über einen
Interrupt dem Betriebssystem. Dieses entscheidet, welche Aktionen erforderlich sind, und beendet in den
meisten Fällen das fehlerhafte Programm.
Speicherbereichsschutz
Der Protected Mode ist für ein Multitasking-Betriebssystem ausgelegt. Demnach muss jedem laufenden Programm ein eigener, privater Speicherbereich zur Verfügung gestellt werden. Will ein Programm auf einen
bestimmten Speicherplatz zugreifen, kann die CPU feststellen, ob dieser Speicherplatz zum privaten Bereich
des Programms gehört.
Ist dies nicht der Fall, wird wiederum über einen Interrupt dem Betriebssystem dieser fehlerhafte Zugriff mitgeteilt und von diesem entsprechend behandelt; und gegebenenfalls wird das fehlerhafte Programm beendet.
30
© HERDT-Verlag
3
Prozessor
Speichersegmentattribute
Verwendet ein Betriebssystem den Prozessor im Protected Mode, können an die Code- und Datensegmente
bestimmte Attribute vergeben werden. Einem Segment kann z. B. das Attribut "nur Lesen" zugeordnet werden. Sollte ein laufendes Programm versuchen, in ein solches "schreibgeschütztes" Segment zu schreiben,
wird wiederum über einen Interrupt die Kontrolle dem Betriebssystem übergeben.
Grundsätzlich erhält jedes Speichersegment ein Attribut, welches es als Codesegment oder Datensegment
kennzeichnet. Sollte versucht werden, ein Datensegment auszuführen oder ein Codesegment zu verändern,
bedeutet dies wiederum eine Verletzung der Schutzmechanismen.
Der Virtual Real Mode
Ein weiterer Betriebsmodus für Intel-Prozessoren,
allerdings erst ab der 80386-Reihe, ist der virtuelle Real Mode. Der Trick dabei ist, dass ein
80386-Prozessor in der Lage ist, mehrere 8086/
88-CPUs zu emulieren.
Jetzt kann in jedem dieser Real Modes ein Programm völlig ungestört von anderen ablaufen.
Jedem der laufenden Programme wird vorgegaukelt, dass es seinen eigenen 8086/88-Prozessor
zur Verfügung hat. Das Betriebssystem OS/2 und
die Windows-Betriebssysteme arbeiten in diesem
Modus, wenn sie DOS-Anwendungen ausführen.
RAM
INTEL
Virtual Machine 3
80386
im Virtual
Real Mode
Virtual Machine 2
Virtual Machine 1
z. B.: OS/2 und Windows
Der Anwender kann nun mehrere Programme
starten und über vordefinierte Tastenkombinationen zwischen den Tasks wechseln. Er wird
Der Virtual Real Mode
dann immer die Anwendung in dem Zustand vorfinden, in dem er sie verlassen hat.
3.5
Aktuelle Prozessoren
Intel-Prozessoren für den Desktop-PC
Das aktuelle Prozessorangebot von Intel umfasst den Celeron, den Pentium 4 und die Core-i-Prozessoren. Aufgrund unterschiedlicher Steckplätze (Sockel) und verschiedener Anforderungen an Chipsatz und Motherboard
sind die Prozessoren allerdings nicht immer ohne Weiteres untereinander austauschbar.
Intel Celeron
Der preiswerte Celeron- bzw. Celeron-D-Prozessor ist für Büroanwendungen (Textverarbeitung oder Internet) konzipiert. Er bietet hierfür mit einer Taktfrequenz bis 3,6 GHz
und maximal 800 MHz (4 x 200) Systembustakt genügend Leistungsreserven.
Die Prozessoren sind für die Sockel 370, 478 und Sockel T (775) verfügbar.
Mit dem Zusatz E1200 und E1400 wurden Dual-Core-Celerons für den Sockel T produziert, um den immer höheren Leistungsbedarf auch im Niedrigpreissegment zu befriedigen.
Intel Celeron
Gegenüber den Dual-Core- und Core-2-Duo-Prozessoren besitzen diese nur einen Bruchteil des Level-2-Caches.
© HERDT-Verlag
31
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
Intel Pentium 4
Der Pentium 4 von Intel bietet genügend Leistung auch für anspruchsvolle Anwendungen in der Grafik- und Videobearbeitung oder für Spiele.
Der Pentium 4 wird in unterschiedlichen Ausführungen ausgeliefert, die sich durch
unterschiedliche Taktfrequenzen auszeichnen:
D
D
D
Pentium 4 mit 1.300 - 3.400 MHz getaktet und 200 - 800 MHz FSB
Intel Pentium 4
Pentium 4 E mit 2.666 - 3.800 MHz getaktet und 533 - 800 MHz FSB
Pentium 4 Extreme Edition mit 3.200 - 3.733 MHz getaktet und 800 - 1066 MHz FSB
Die Prozessoren sind für die Sockel 428, 478 und Sockel T (775) verfügbar.
Die deutlich leistungsfähigere Prozessorarchitektur wird durch den hohen System- und FSB-Takt (3,8 bzw.
1.066 GHz) erreicht.
Intern kann der Pentium 4 durch Weiterentwicklung der sogenannten Pipeline-Technologie und teilweise
Taktverdopplung (ALU) mehrere Arbeitsschritte (Threads) gleichzeitig und mit höherer Geschwindigkeit
bearbeiten. Allerdings setzt dieses Hyper-Threading, das praktisch einen weiteren virtuellen Prozessor simuliert, spezielle P4-taugliche Motherboards und Chipsätze voraus. Beim Pentium 4 E wurde zusätzlich der
EM64T-Befehlssatz integriert, sodass 64-Bit-Befehle verarbeitet werden können.
Core-i-Prozessoren
Bei den Core-i-Prozessoren handelt es sich um die neueste Entwicklung von Intel. Die Prozessoren beruhen
auf der Nehalem-Mikroarchitektur. Die Prozessoren werden in verschiedenen Ausführungen geliefert. Mit
den Suffixen i3, i5 und i7 werden die Prozessoren in Kategorien eingeteilt, die sich vor allem in
Prozessorfeatures unterscheiden (u. a. die Kernanzahl oder der verwendete Cache).
D
D
D
Core i3 mit 2,93 - 3,20 GHz getaktet
Core i5 mit 2,40 - 3,46 GHz getaktet
Core i7 mit 2,53 - 3,33 GHz getaktet
Eine ausführliche Beschreibung der technischen Spezifikation finden Sie unter:
http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Intel-Core-i-Prozessoren.
Intel Atom
Speziell für günstige kleine Notebooks (sogenannte Netbooks) entwickelte Intel einen 32-Bit-Prozessor, der
sich durch einen energiesparenden Betrieb auszeichnet. In Verbindung mit einem speziellen Motherboard
ermöglicht dieses System die Fertigung und den Betrieb von kleinen Computern und Notebooks mit kleinen
Netzteilen bzw. Akkus.
Die Systeme sind geeignet, Dokumente in Office-Programmen zu bearbeiten, E-Mails zu erstellen und Internetseiten zu betrachten. Aufwendige Video-, Grafik- und Fotobearbeitung sowie viele Computerspiele sind
nur eingeschränkt lauffähig.
Die Prozessoren werden mit 0,8 bis 1,8 GHz ausgeliefert und arbeiten mit einem FSB mit 100 bis 133 MHz. Um
die Leistung anzuheben, will Intel 2009 Atom-Prozessoren mit zwei Kernen ausliefen.
AMD-Prozessoren für den Desktop-PC
Das Unternehmen Advanced Micro Devices (AMD) bietet für Desktop-PCs den Duron, den Sempron, den
Athlon XP, den Athlon 64 sowie die K10-Serie an.
32
© HERDT-Verlag
3
Prozessor
AMD Duron
Der Duron ist die Low-Cost-CPU von AMD. Er ist derzeit mit Taktraten bis zu 1,8 GHz
und 400 MHz Bustakt erhältlich. Preislich liegt der AMD Duron unterhalb vergleichbarer Celeron-Prozessoren. Der Duron eignet sich für Standardanwendungen (z. B.
Textverarbeitung), das Internet und Multimedia-Anwendungen.
Nach einer Optimierung in Zusammenarbeit mit Microsoft stehen dem Anwender
jetzt auch alle Funktionen von Windows XP auf einem PC mit einer Duron-CPU zur
Verfügung.
AMD Duron
Die Produktion des Duron-Prozessors wurde 2004 zugunsten der leistungsfähigeren
Sempron-Prozessoren eingestellt.
AMD Athlon XP
Der Athlon XP ist unter anderem aufgrund einer komplexen Architektur, eines speziellen Befehlssatzes für 3D-Operationen (3DNow!) und Taktraten bis zu 2,2 GHz bei 400
MHz Systembustakt zu hohen Leistungen fähig.
Beim Athlon XP sind zentrale Prozessorkomponenten wie Integer-Einheit, FPU und
Befehlsdecoder mehrfach vorhanden, sodass der Athlon XP innerhalb eines Taktes
mehrere Programmanweisungen gleichzeitig verarbeiten kann.
Athlon-XP-Prozessoren werden lediglich für den Sockel A gefertigt und werden kaum
noch verkauft.
AMD Athlon XP
Die angegebenen Taktfrequenzen eines Pentium 4 und eines Athlon geben im direkten Vergleich keinen
Aufschluss über die Leistungsfähigkeit des Prozessors.
Um potenziellen Käufern den Vergleich zu erleichtern, hat AMD ab dem Athlon XP das Pentium-Rating eingeführt, bei dem die Leistung als theoretische Taktrate eines Pentiums für vergleichbare Leistung angegeben
wird. So wird z. B. ein Athlon 64 mit 2.400 MHz getaktet, erhält aber aufgrund der vorhandenen Verarbeitungsleistung die Modellbezeichnung 4000+.
AMD Athlon 64
Der Athlon 64 deckt den Bereich für anspruchsvolle Anwendungen in der Grafik- und
Videobearbeitung ab und ist auch für einfache PC-Spiele geeignet. Er wird mit bis zu
2,4 GHz (4600+) Systemtakt getaktet und erreicht mithilfe des HyperTransport-Protokolls 1000 MHz Bustakt.
Athlon-64-Prozessoren werden sowohl für den Sockel 939 (geeignet für DDR2-400Speicher) als auch für den modernen AM2/AM2+-Sockel (geeignet für DDR2-800Speicher) gefertigt.
AMD Athlon 64
Der Athlon 64 kann aufgrund einer 64-Bit-Architektur sowohl 32- als auch 64-Bit-Befehle ausführen.
Sempron
Der Sempron löst den Duron im unteren Preissegment ab. Unter diesem Namen werden markttechnisch zwei
unterschiedliche Prozessortypen zusammengefasst:
D
D
umbenannte Athlon XP für den Sockel A
umbenannte Athlon 64; niedriger getaktet (-2000 MHz) mit der Hälfe an L2-Cache-Speicher (256 KB);
erst seit Juli 2005 mit dem AMD64-Befehlssatz für den Sockel AM2/AM2+.
Athlon 64 FX
Athlon 64 FX bezeichnet den aktuell leistungsfähigsten Athlon-64-Prozessor. Da Single- und Dual-CoreProzessoren unter der Bezeichnung FX zusammengefasst werden, wird zur Unterscheidung die Modellnummer (51 - 74) genannt.
© HERDT-Verlag
33
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
K10-Serie
AMD bietet verschiedene Prozessoren mit K10-Mikroprozessoren an. Darunter fallen z. B. die Prozessoren
Phenom, Phenom II, Athlon X2 und Athlon II. Diese sind für Desktop-PC konzeptioniert und werden in der
Regel als Vierkernprozessoren ausgeliefert.
Multi-Core-Prozessoren von Intel und AMD
Als Multi-Core-Prozessor bezeichnet man eine CPU, bei der zwei, drei oder vier Prozessoren in einem Prozessorgehäuse (Die) vereint sind. Sämtliche internen Bestandteile (mit Ausnahme des Systembusses und eventuell
des Caches) sind doppelt vorhanden.
Diese Prozessoren sind in der Lage, mehrere Threads (Prozesse) gleichzeitig zu verarbeiten. Dieses Verfahren
wird auch als Multithreading bezeichnet. Entsprechend angepasste Programme (Bild-, Videobearbeitung und
PC-Spiele) laufen als parallele Prozesse ab, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht. Bei Windows XP
und optimal bei Windows Vista und Windows 7 unterstützen auch die Microsoft-Betriebssysteme den Betrieb
mit mehr als einem Prozessorkern.
Die Entwicklung dieser Bauart konnte die Rechenleistung erhöhen, ohne die produzierte Abwärme und den
Stromverbrauch wesentlich zu vergrößern. Durch die Miniaturisierung und die Platzierung von zwei Kernen
auf einem Chip wurden beträchtliche Mengen an teurem Material eingespart, sodass Hochleistungsprozessoren günstig angeboten werden können.
Intel
Intel produzierte seit Anfang 2006 den Pentium-D-Prozessor für den Sockel 775, der mit 2,8 - 3,6 GHz getaktet ist. Der FSB wird mit 200 MHz (x4) angegeben. Die Pentium Extreme Edition (EE) wird mit 3,7 GHz und
einem FSB von 266 (x4) betrieben.
Im Juli 2006 folgten die Core-2-Duo-Prozessoren mit den Produktbezeichnungen E4300 - E8600. Die Prozessoren werden für den Sockel 775 mit unterschiedlichem FSB (200, 266 und 333 MHz) gefertigt und finden in
schnellen Rechnern zur Videobearbeitung und zum PC-Spielen ihre Verwendung. Aktuell unterstützen nur
wenige Anwendungen mehr als zwei Prozessoren. Ein schneller Core 2 Duo E8600 mit 2x3333 MHz durchläuft
einige Benchmarks schneller als ein doppelt so teurer Quad-Core-Prozessor (Vierkern-Prozessor), der mit
4x3000 MHz getaktet wird.
Anfang 2007 präsentierte Intel seine ersten Quad-Core-Prozessoren. Diese werden unter der Bezeichnung
Core 2 Quad mit dem Zusatz Q6600 - Q9650 ausgeliefert. Als Basis dient der Sockel 775. Die Taktfrequenz
schwankt dabei zwischen 4x2400 und 4x3000 MHz. Der FSB variiert zwischen 266 oder 333 MHz.
Als Core 2 Extreme (Modelle QX6850, QX9650 und QX9770) werden Taktfrequenzen von 4x3200 MHz bei
einem FSB von 400 MHz erreicht.
AMD
AMD begann Anfang 2007 Dual-Core-Prozessoren unter der Bezeichnung Athlon 64 X2 zu produzieren. Es
werden Motherboards mit dem Sockel 939 (Athlon 64 X2 3800-4600+) und dem Sockel AM2/AM2+ (36006400+) unterstützt.
Bei einem Prozessortakt von 2x2200 bis 2x3200 MHz erreichten die AMD-Prozessoren nicht die Leistung der
gleich hoch getakteten Intel-Prozessoren, sodass AMD im Mai 2007 einen Vierkern-Prozessor mit Namen
Phenom X4 vorstellte.
In Verbindung mit Sockel AM2 bzw. AM2+ und DDR2-Speicher mit 200 MHz FSB (x5 entspricht HT2000) und
einem Prozessortakt von 2600 MHz erreicht ein AMD Phenom X4 9950 Black (150 €) 34.000 Benchmark-Punkte. Ein leistungsmäßig in etwa gleichwertiger Intel-Prozessor (Intel Core 2 Quad Q6600 mit 37.000 Benchmark-Punkten) kostet 140 € (Stand September 2008). Der aktuell leistungsfähigste Intel-Prozessor, Core 2
Extreme QX9770 (1.500 €), erreicht 50.000 Benchmark-Punkte.
34
© HERDT-Verlag
3
Prozessor
Mobile Prozessoren
Sowohl Intel als auch AMD bieten für den Einsatz in Notebooks und anderen mobilen Computern spezielle
mobile Prozessoren an. Sie zeichnen sich durch geringeren Energieverbrauch und abweichende Gehäusebauformen aus. Der geringere Energieverbrauch wird beispielsweise durch Deaktivieren aktuell nicht benötigter
Prozessorkomponenten oder nutzungsabhängige Taktratenanpassung erreicht.
Intel
Intel führt die Prozessorlinien für den mobilen Einsatz, den Pentium 4 Mobile, den Pentium M und
Pentium Dual Core. Der Pentium 4 Mobile zeichnet sich durch hohe Leistung aus, erfordert aber ein leistungsfähiges Kühlsystem, sodass die Notebooks unerwünscht laut werden können. Der Pentium M basiert auf
einem neu entwickelten Prozessorkern, der mit deutlich geringeren Taktraten - und damit geringerer Wärmeentwicklung - auskommt und dennoch sehr leistungsfähig ist.
Die Celeron-M- und Dual-Core-Prozessoren mit der Bezeichnung T260 - T2410 sind für den Sockel M konzipiert und zeichnen sich durch einen sehr geringen Stromverbrauch (26 bzw. 34 W) aus.
Kombiniert mit einem neuen Intel-Chipsatz, der unter anderem WLAN ermöglicht, wird der Pentium M unter
dem Namen Centrino vermarktet.
AMD
AMD bezeichnet seinen mobilen Prozessor als Mobile Duron, Mobile Sempron, Athlon XP-M, Mobile
Athlon 64, Turion 64 und Turion 64 X2.
Mobile Duron, Mobile Sempron und Athlon XP-M sind mit der PowerNow!-Technologie ausgerüstet, Mobile
Athlon 64, Turion 64 und Turion 64 X2 mit der Weiterentwicklung Cool'n'Quiet. Beide Befehlssätze ermöglichen es durch Verringern der Taktrate, des Multiplikators und der Kernspannung, den Prozessortakt an die
aktuelle Anforderung der Rechenleistung anzupassen. Es wird Strom gespart und die Wärmeentwicklung
vermindert.
Server-Prozessoren
Für leistungsfähige Serversysteme und Dual-Prozessor-Workstations werden besondere Prozessoren angeboten.
Im Gegensatz zu den im Desktop-Bereich üblichen 32 Bit ist im Serversegment die 64-Bit-Architektur weiter
verbreitet, was speziell angepassten Programmen eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht.
D
D
3.6
Intel Itanium, Itanium 2 und Xeon
AMD Opteron
Prozessorkühlung
Abwärme bei Prozessoren
Der etwa fingernagelgroße Siliziumchip (Die) wird auf einer keramischen (CPGA), organischen (OPGA) oder
kunststoffbasierten Trägerplatte (PPGA) befestigt, an deren Unterseite sich eine Anzahl von Kontaktstiften
(Pins) für Daten-, Steuer- und Versorgungsleitungen befindet.
Durch die enorme Abwärme (bis zu 100 Watt/cm²), die die modernen hochgetakteten Prozessoren erzeugen,
und als Schutz vor mechanischen Beschädigungen wird das Die häufig mit einer Aluminium- oder Kupferplatte (Heatspreader) abgedeckt.
CPUs dürfen eine bestimmte Betriebstemperatur (60 - 90°C) nicht überschreiten, da es sonst zu Fehlfunktionen (Abstürzen) und in extremen Fällen (ab 125 - 135°C) zur Zerstörung des Chips kommt. Häufige Überhitzung des Chips führt auch zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer der CPU.
© HERDT-Verlag
35
3
ICT Power-User SIZ und ICT Supporter SIZ - Modul 133
Die Leistungsaufnahme und die maximal zulässige Temperatur der CPU sind abhängig von der entsprechenden Prozessorbaureihe.
Prozessor
Prozessortakt
Größe des Die
Leistungsaufnahme
Maximale
Temperatur
Celeron
2800 MHz
146 mm²
52 - 57 Watt
75°C
Pentium 4
3400 MHz
146 mm²
81 Watt
69°C
Pentium D
2 x 3200 MHz
206 mm²
130 Watt
70°C
Core 2 Duo E8400
2 x 3000 MHz
107 mm²
65 Watt
72°C
Core 2 Quad Q9400
4 x 2666 MHz
2 x 107 mm²
95 Watt
71°C
Duron
1800 MHz
105 mm²
43 - 60 Watt
85°C
Athlon XP
2200 MHz
101 mm²
68 - 77 Watt
85°C
Athlon 64
2400 MHz
193 mm²
bis zu 104 Watt
65°C
Athlon 64 X2
2 x 2400 MHz
199 mm²
bis zu 110 Watt
65°C
Phenom X3 8750
3 x 2400
283 mm²
95 Watt
70°C
Phenom X4 9950
4 x 2600
283 mm²
140 Watt
64°C
Luftkühlung des Prozessors
Der gängigste Weg, um die Kühlung der CPU sicherzustellen, ist die
Montage eines Kühlkörpers mit Lüfter.
Der Aluminium-Kühlkörper ist mit Rippen versehen, um die Oberfläche für den Wärmeaustausch möglichst groß zu gestalten. Der Kern
des Kühlers direkt auf dem Die ist oft aus Kupfer, da Kupfer die Wärme schneller transportiert als Aluminium.
Eine weitere Möglichkeit, die Wärme zu verteilen, sind im Kühlkörper
eingefügte flüssigkeitsgefüllte Wärmerohre (Heatpipes).
Auf dem Kühler ist ein Lüfter montiert, der für den Luftstrom zum
Abtransport der Verlustwärme sorgt. Durch die Wahl eines möglichst
großen Lüfters (8 - 12 cm) mit feinen Kupferlamellen kann die Drehzahl (>3000 U/min) bei gleicher Luftmenge gering gehalten und damit
die Lautstärke verringert werden.
Prozessorkühler mit Lüfter
Zwischen Prozessor und Kühlkörper wird Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad eingefügt, um Unebenheiten und Rauheit des Chips und des Kühlkörpers auszugleichen, da Lufteinschlüsse den Wärmetransport
erheblich vermindern.
Sie können unter der Bezeichnung boxed oder in-a-box eine vormontierte Prozessor-Kühlkörper-Einheit erwerben.
Wasserkühlung des Prozessors
Als Alternative zur Luftkühlung werden Wasserkühlungen angeboten. Diese finden bei extrem leistungsstarken Computern Verwendung oder wenn der Prozessor übertaktet werden soll (Overclocking).
Dabei wird Wasser in einem Radiator mithilfe eines Lüfters gekühlt und mit einer Pumpe zu den zu kühlenden Komponenten wie Prozessor, Chipsatz und Grafikprozessor gepumpt. Eine Wasserkühlung ist zwar aufwendiger zu warten und teurer, aber bedeutend leiser als die Luftkühlung.
36
© HERDT-Verlag
Prozessor
3
© HERDT-Verlag
37