Grundkomponenten von Mikroprozessoren

Intel stellte 1971 den ersten Mikroprozessor vor und nannte ihn den 4004-Chip. Heutige Mikroprozessoren mit Abmessungen von weniger als einem Cent bieten mehr Leistung und Fähigkeiten. Das Herzstück des Computers, die Central Processing Unit (CPU), besteht aus einem oder mehreren Mikroprozessoren. Hergestellt aus einem Silikonchip, der Millionen von Transistoren enthält, verschieben Mikroprozessoren Daten von einer Speicheradresse an eine andere Stelle. Die CPUs treffen Entscheidungen und arbeiten dann an neuen Anweisungen und Berechnungen.

Die "arithmetische und logische Einheit" (ALU) führt mathematische Berechnungen wie Subtraktion, Addition, Division und Boolesche Funktionen durch. Boolesche Funktionen sind eine Art von Logik, die für Schaltungsdesigns verwendet wird. Die ALU führt auch Vergleiche und Logiktests durch. Der Prozessor sendet Signale an die ALU, die die Anweisungen interpretiert und die Berechnungen durchführt.

Mikroprozessoren haben temporäre Datenhalteplätze, die als Register bezeichnet werden. Diese Speicherbereiche enthalten Daten, wie beispielsweise Computeranweisungen, Speicheradressen, Zeichen und andere Daten. Einige Computerbefehle erfordern möglicherweise die Verwendung bestimmter Register als Teil eines Befehls. Jedes Register hat eine spezifische Funktion, wie zB Befehlsregister, Programmzähler, Akkumulator und Speicheradressenregister. Ein Programmregister hält beispielsweise die Adresse von Befehlen, die aus einem Direktzugriffsspeicher entnommen wurden.

Steuereinheiten (CUs) empfangen Signale von der CPU, die die Steuereinheit anweist, Daten von Mikroprozessor zu Mikroprozessor zu übertragen. Die Steuereinheit steuert auch die Recheneinheit. Steuereinheiten bestehen aus mehreren Komponenten, wie beispielsweise Decoder, Taktgeber und Steuerlogikschaltungen. In Zusammenarbeit übertragen diese Geräte Signale an bestimmte Stellen des Mikroprozessors.

Beispielsweise empfängt der Decoder Befehle von einer Anwendung. Der Decoder interpretiert die Anweisungen und führt eine Aktion aus. Es sendet Signale an die ALU oder weist Register an, bestimmte Aufgaben auszuführen. Die Steuerlogikeinheit überträgt Signale an verschiedene Abschnitte des Mikroprozessors und der Register, die diese Komponenten informieren, um Aktionen auszuführen. Die Uhr sendet Signale, die die zeitgerechte Ausführung von Befehlen und Prozessen synchronisieren und sicherstellen.

Mikroprozessoren haben ein System von Bussen, die Daten bewegen. Busse beziehen sich auf Klassifizierungen von Verkabelungen, die bestimmte Aufgaben und Funktionen haben. Der Datenbus überträgt Daten zwischen der Zentraleinheit und dem Direktzugriffsspeicher (RAM) – dem Primärspeicher des Computers. Der Steuerbus sendet Informationen, die zum Koordinieren und Steuern mehrerer Aufgaben erforderlich sind. Der Adressbus überträgt die Adresse zwischen der CPU und dem RAM für die verarbeiteten Daten.

Einige fortschrittliche Mikroprozessoren verfügen über Speichercaches, die die letzten von der CPU verwendeten Daten speichern. Speichercaches beschleunigen den Rechenprozess, da die CPU nicht in den langsameren RAM gehen muss, um Daten abzurufen. Viele Computer verfügen über Caches der Ebene 1 oder 2; einige Systeme haben Level-3-Caches. Die Cache-Ebene gibt die Reihenfolge an, in der die CPU nach Daten sucht, beginnend mit Ebene 1. Hersteller integrieren oft Level-2- und Level-3-Caches in den Mikroprozessor, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht.