Prozessorkern
zentraler Teil eines Mikroprozessors
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Als Prozessorkern oder auch Rechenkern (englisch core) wird der zentrale Teil eines Rechenwerkes bezeichnet. Die zentrale Recheneinheit wird auch als Central Processing Unit (CPU) bezeichnet und ist teilweise gleichbedeutend mit einem Mikroprozessor.[1] Moderne Mikroprozessoren verfügen mitunter über mehrere Rechenkerne. Sie werden als Mehrkernprozessoren oder Multiprozessoren bezeichnet und sind seit den 2010er Jahren in einer Vielzahl von Geräten verfügbar.
Komponenten und Bausteine
Ein moderner Prozessorkern besteht aus einer Vielzahl von Komponenten, bzw. integriert diese auf einem Chip, welche im folgenden Abschnitt aufgezählt sind. Diese hochkomplexen Rechenkerne sind sogenannte Systems-on-Chip (SoC) und werden mittels der Methoden des Systems Engineering sowie der eigentlichen Electronic Design Automation (EDA) entwickelt.
Central Processing Unit (CPU)
Ein Prozessorkern (CPU) besteht wenigstens aus:
- einer arithmetisch-logischen Einheit (ALU, Schaltungsblöcke für logische und Ganzzahl-Operationen)
- den Rechenregistern (Akkumulator und meist weitere)
- den wesentlichen Teilen des Steuerwerkes
- Adress-Dekoder (Verwalten und ggf. Weiterzählen von Speicheradressen sowie Laden und Speichern von Werten von Speicheradressen in Register bzw. umgekehrt)
- Instruktions-Dekoder (Verschalten von Registern als Inputs und Outputs mit Funktionsblöcken der ALU, um den aktuellen Befehl durchzuführen).
Optionale Komponenten sind:
- Interrupt-Dekoder
- Cache
- Gleitkommaeinheit
- Memory Management Unit (MMU)
- weitere Mechanismen, die eng mit der inneren Architektur des Prozessors verbunden sind.
Mikrocontroller Unit (MCU)
Bausteine, die bei Mikrocontrollern auf ein und demselben Chip integriert werden:
- Mikroprozessor (CPU) plus...
- Festwertspeicher (ROM)
- Arbeitsspeicher (RAM)
- Peripheriegruppen, z. B.
- Schnittstellen-Bausteine
- Zeitgeber
- Watchdog
Prozessorfamilien
Ein Prozessorkern ist eine reale Implementierung einer Prozessorarchitektur. Jede Architektur hat einen eigenen Befehlssatz und benötigt einen für sie geeigneten Compiler zur Programmerstellung. Verschiedene Prozessortypen mit weitgehend gleichem Kerndesign werden als eine „Familie“ bezeichnet. Wird ein Prozessordesign nennenswert überarbeitet oder verändert, so entsteht eine neue „Familie“, die fast immer abwärtskompatibel bleibt. Wird die Abwärtskompatibilität aufgegeben, so spricht man i. A. von einer neuen/anderen Prozessorarchitektur.
In der Chip-Entwicklung wird der Prozessorkern als Modul verwendet, das mit anderen Modulen zu einem kompletten Prozessor kombiniert werden kann. Beispielsweise gibt es eine eigene Power Management Unit (PMU) Einheit oder Modul, welches auch Teil der CPU ist.[2] Mitunter kann der Prozessorkern verschieden konfiguriert werden, z. B. mit mehr oder weniger Registern, mit oder ohne Gleitpunkteinheit u. ä., wodurch verschiedene Derivate entstehen, die jedoch alle zur selben Architekturfamilie gehören. Beispielsweise wird die ARM-Architektur als Intellectual Property (IP)-Geschäftsmodells konfigurierbar angeboten. Siehe auch die Fabless-Entwicklung.
Das jeweilige Design des Prozessorkerns ist im Laufe der Jahre der Prozessorentwicklung eine hochspezialisierte und optimierte Komponente geworden, die spezifisch für eine Herstellerfirma ist und den komplexesten Teil des Prozessors ausmacht. Konkret werden Mikroprozessoren von dafür spezialisierten Unternehmen aus der Halbleiterindustrie entwickelt und von darauf spezialisierten Halbleiterfabriken produziert. Andere Prozessoren, wie Mikrocontroller, werden von weiteren Unternehmen und Fabriken gefertigt.
Ebenfalls können Prozessorkerne auch in CPLD, besser FPGA-Bausteinen, emuliert werden.
Mikrocontroller
Durch die Trennung zwischen Prozessorkern, Speicher/Cache und Peripherie können Mikroprozessor-Hersteller Varianten anbieten, die um den gleichen Kern unterschiedlich zusammengestellte Peripherien beinhalten oder mit mehr oder weniger (On-Chip-)RAM/ROM-Speichern ausgerüstet sind. Unter Peripherie des Prozessorkerns versteht man zum Beispiel On-Chip-Timer, serielle Schnittstellen, I²C-Bus, CAN-Bus oder A/D-Wandler. Diese Art von Prozessorkernen werden als Mikrocontroller bezeichnet und sind Teil der Embedded Entwicklung. In anderen Worten, jeder Mikrocontroller besitzt einen Prozessorkern oder Mikroprozessor oder CPU und andere Bausteine. Dies können auch Radios (RF/HF – z. B. BLE oder Wi-Fi) oder sonstige Bausteine sein.[3][4]
Siehe auch
- International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) und Nachfolger (siehe dort)
- Liste von Mikroprozessoren
Literatur
- Helmut Bähring: Mikrorechner-Technik. Band I: Mikroprozessoren und Digitale Signalprozessoren (= Springer-Lehrbuch. 1 v. 2). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-41648-X, doi:10.1007/978-3-662-12500-7.
- Helmut Bähring: Mikrorechner-Technik. Band II Busse, Speicher, Peripherie und Mikrocontroller (= Springer-Lehrbuch. 2 v. 2). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-43693-6, doi:10.1007/978-3-642-56179-5.
- Matthias Menge: Moderne Prozessorarchitekturen. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2005, ISBN 3-540-24390-9, doi:10.1007/b139114.
