Wie funktioniert eine CPU?
Eine CPU arbeitet, indem sie Anweisungen ausführt, die aus dem Speicher gelesen wurden - diese Anweisungen teilen der CPU mit, welche Operationen mit bestimmten Datenelementen, die im Speicher oder in Registern gespeichert sind, durchgeführt werden müssen. Wenn eine Anweisung aus dem Speicher abgerufen wird, wird sie durch die Steuereinheit geschickt, wo sie dekodiert wird und alle erforderlichen Adressen/Datenelemente bestimmt werden; diese Informationen werden dann an die ALU weitergeleitet, wo die Operationen entsprechend den Angaben in der Anweisung ausgeführt werden. Nach Abschluss der Operationen werden die resultierenden Werte bei Bedarf wieder im Speicher abgelegt, bevor eine weitere Anweisung abgerufen und dieser Vorgang wiederholt wird, bis alle Anweisungen des Programms ausgeführt wurden.
Was ist eine CPU?
Eine Zentraleinheit (Central Processing Unit, CPU) ist das Gehirn eines Computersystems - sie sagt dem Computer im Wesentlichen, was er tun soll und wie er es tun soll. Eine CPU besteht aus Schaltkreisen, die aus drei Hauptkomponenten bestehen: einer Steuereinheit, einer arithmetisch-logischen Einheit (ALU) und einem Registersatz. Die Steuereinheit holt Befehle aus dem Speicher, dekodiert sie, bestimmt die Adresse der im Speicher gespeicherten Daten (falls erforderlich) und leitet die Daten und Befehlsinformationen dann zur Verarbeitung an die ALU weiter. Die ALU führt die für jeden Befehl erforderlichen Berechnungen oder logischen Verknüpfungen durch, speichert Zwischenergebnisse in Registern, falls erforderlich, und sendet das Ergebnis dann zurück in den Speicher, wo es von anderen Programmen abgerufen oder auf die Festplatte geschrieben werden kann. Die Register werden verwendet, um kurzfristige Daten zu speichern, während sie von der CPU verarbeitet werden.
Was sind Kerne?
Ein Kern ist eine Instanz einer Ausführungseinheit in einem Multicore-Prozessor. Jeder Kern verfügt über einen eigenen Cache, der es ihm ermöglicht, Aufgaben unabhängig auszuführen, ohne so oft auf den Hauptspeicher zugreifen zu müssen; mehrere Kerne können jedoch Ressourcen wie den L2-Cache gemeinsam nutzen. Mehrere Kerne ermöglichen eine größere Parallelität bei der Ausführung von Befehlen, was bedeutet, dass mehr Befehle gleichzeitig ausgeführt werden können und somit mehr Arbeit in kürzerer Zeit erledigt werden kann als mit einem Einzelkernprozessor. Dadurch sind Mehrkernprozessoren ideal für rechenintensive Aufgaben wie Videobearbeitung oder 3D-Rendering.
Was sind Threads?
Threads sind Ausführungssequenzen, die innerhalb eines einzelnen Prozesses oder einer Anwendung auf einem einzelnen Prozessorkern gleichzeitig ausgeführt werden können. Mit Threads können Anwendungen/Programme den Anschein erwecken, dass sie schneller laufen, als sie es tatsächlich tun, da sie mehrere Kerne gleichzeitig nutzen können. Wenn mehrere Threads gleichzeitig auf verschiedenen Kernen ausgeführt werden, kann mehr Arbeit erledigt werden, ohne dass gewartet werden muss, bis ein Thread seine Ausführung beendet hat, bevor ein anderer Thread auf einem anderen Kern wieder mit der Ausführung beginnen kann. Dies macht Multi-Thread-Anwendungen viel effizienter als ihre Single-Thread-Gegenstücke, da kein Kontextwechsel zwischen Threads erforderlich ist, wenn mehrere Prozesse gleichzeitig auf verschiedenen Kernen ausgeführt werden, im Gegensatz zu nur einem Kern mit vielen Threads, die nacheinander zur Verarbeitung anstehen, wie es bei einer Single-Thread-Anwendung der Fall wäre.
Was ist Hyper-Threading?
Hyper-Threading (HT) ist eine proprietäre Technologie von Intel, die mehrere logische Prozessoren innerhalb jedes physischen Prozessorkerns ermöglicht - im Wesentlichen zwei gleichzeitige Befehlsströme pro physischem Kern (dies erscheint als vier "virtuelle" Prozessoren anstelle von zwei). Die Einführung von HT in die CPUs hat den Intel-CPUs eine bessere Multitasking-Leistung ermöglicht, da sie pro Taktzyklus über mehr Verarbeitungsmöglichkeiten verfügen - so können sie große Arbeitslasten schneller bewältigen als frühere Generationen, die allein durch die Taktfrequenz begrenzt waren (die nur begrenzte Steigerungsmöglichkeiten bot). Darüber hinaus trägt HT in einigen Fällen auch zu einer Steigerung des Durchsatzes und der IPC-Leistung bei, da die Planungseffizienz bei einer größeren Anzahl von Threads im Vergleich zu einer deaktivierten HT in denselben Szenarien besser ist.
Was ist die RISC- und die CISC-Architektur?
RISC steht für "Reduced Instruction Set Computer" (Computer mit reduziertem Befehlssatz) - dies bezieht sich in der Regel auf Architekturen, die deutlich weniger komplexe Befehlstypen verwenden als CISC-Architekturen (Complex Instruction Set Computer). CISC-Architekturen bestehen in der Regel aus sehr unterschiedlichen Befehlssätzen, die von einfachen arithmetischen Operationen bis hin zu komplexen Operationen reichen, die mehrere Schritte umfassen, wie z. B. die Manipulation von Zeichenketten usw., während RISC-Architekturen zu einfacheren, aber schnelleren Befehlen tendieren (die aufgrund der geringeren Komplexität weniger Fläche pro Chip beanspruchen), so dass sie bei ähnlichen Taktfrequenzen in beiden Architekturen zu höheren Leistungsmerkmalen tendieren.
Was sind Pipelines?
Pipelines in CPUs beziehen sich speziell auf Architekturen, die verschiedene Phasen der Befehlsausführung in diskrete Teile aufteilen, so dass die Ergebnisse früherer Phasen späterer Phasen schneller zur Verfügung stehen und so weitere Optimierungen, wie z. B. die Abfertigung und Ausführung außerhalb der Reihenfolge, ermöglichen - dadurch können einige Teile je nach ihren individuellen Anforderungen schneller oder langsamer laufen, anstatt dass jede Phase auf die andere wartet, was zu erheblichen Leistungssteigerungen gegenüber Designs ohne Pipelines führt und so moderne Hochgeschwindigkeits- und Multithreading-Prozessoren ermöglicht.
Was sind Caches?
Caches sind kleine Blöcke relativ schnellen Arbeitsspeichers, die sich entweder direkt in oder in der Nähe der zentralen Verarbeitungseinheit befinden und zwei Funktionen erfüllen: Erstens entlasten sie den Hauptspeicher bei Lese- und Schreibvorgängen, da Caches mit einer geringeren Latenz arbeiten, und zweitens beschleunigen sie diese.
Was ist eine Cache-Zeile?
Eine Cache-Zeile ist der kleinste Datenblock, der vom Hauptspeicher in den CPU-Cache übertragen werden kann. Bei einem Prozessor mit 4-Byte-Befehlen besteht eine Cache-Zeile in der Regel aus 64 Byte, bei 8-Byte-Befehlen aus 128 Byte. Wenn die CPU Daten aus dem Speicher anfordert, holt sie die gesamte Zeile und nicht nur einen Teil der Daten oder Anweisungen; dies trägt zur Verringerung der Latenzzeit bei, da sichergestellt wird, dass sich alle zugehörigen Daten auch im Cache der CPU befinden, wenn sie bei zukünftigen Operationen benötigt werden.
Was ist Multiprocessing?
Multiprocessing ist ein Sammelbegriff für mehrere CPUs, die entweder als Teil eines einzigen Computersystems oder verteilt über mehrere Systeme/Geräte zusammenarbeiten. In den meisten modernen Computern/Servern/Netzwerken kann Multiprocessing verschiedene Formen annehmen, z. B. symmetrisches Multiprocessing (SMP), bei dem sich zwei oder mehr CPUs den Zugriff auf den Arbeitsspeicher und andere Ressourcen teilen; asymmetrisches Multiprocessing (AMP), bei dem ein oder mehrere Prozessoren als Master fungieren und Aufgaben an untergeordnete Prozessoren delegieren; und massiv parallele Verarbeitung (MPP), bei der mehrere Prozessoren zusammenarbeiten, um komplexe Rechenaufgaben bei großen Datenmengen schnell durchzuführen.
Was ist eine superskalare Architektur?
Die superskalare Architektur bezieht sich auf Hochleistungs-CPUs, die in der Lage sind, mehr als einen Befehl gleichzeitig auszuführen. Dies ermöglicht eine Leistungssteigerung, da mehrere Befehle gleichzeitig und nicht wie bei früheren Generationen nacheinander ausgeführt werden können, wodurch die Latenzzeit verringert und der Durchsatz erhöht wird, indem bei Bedarf ungenutzte Ausführungseinheiten genutzt werden. Auf diese Weise nutzen superskalare Architekturen die verfügbaren Prozessorressourcen effizienter, was zu höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten führt, selbst im Vergleich zu höher getakteten Vorgängermodellen.
Was sind Mikroprozessoren?
Ein Mikroprozessor ist im Wesentlichen eine verkleinerte Version eines großen Prozessors, der für kleinere Geräte wie eingebettete Systeme, PDAs, Mobiltelefone usw. entwickelt wurde, bei denen Stromverbrauch und Größe zwei wichtige Faktoren sind. Mikroprozessoren verwenden in der Regel einfachere Architekturen als ihre größeren Gegenstücke, um Kosten und Komplexität zu reduzieren und dennoch eine vergleichbare Leistung für den vorgesehenen Zweck zu bieten.
Wie funktioniert die Virtualisierung?
Die Virtualisierungstechnologie ermöglicht es, die Hardwareressourcen eines Computersystems (z. B. CPU-Kerne, Arbeitsspeicher usw.) in verschiedene "virtuelle" Maschinen aufzuteilen, von denen jede ihr eigenes Betriebssystem unabhängig von anderen VMs ausführt. Dadurch können mehrere Benutzer/Anwendungen innerhalb eines Unternehmens oder Haushalts die Ressourcen eines physischen Computers nutzen, ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen, da jede VM völlig getrennt von allen anderen VMs arbeitet, die auf demselben Computer mit einer eigenen Teilmenge verfügbarer Hardwareressourcen laufen. Dies macht die Virtualisierung sehr nützlich, um sowohl Platz als auch Energie zu sparen und gleichzeitig eine effizientere Nutzung der vorhandenen Hardware zu ermöglichen, da die Duplizierung zwischen Maschinen/Geräten reduziert wird.
