CPU

Wie arbeitet ein Prozessor und wie ist sein Aufbau?

Ein Computer ist eine Maschine, die hauptsächlich mit Strom betrieben wird, aber seine Flexibilität und Programmierbarkeit hat dazu beigetragen, die Einfachheit eines Werkzeugs zu erreichen. CPU ist das Herz und/oder das Gehirn eines Computers. Es führt die ihm zur Verfügung gestellten Anweisungen aus. Seine Hauptaufgabe besteht darin, arithmetische und logische Operationen durchzuführen und die Anweisungen gemeinsam zu orchestrieren. Hier zeigen wir Ihnen den aufbau eines prozessors und wie er arbeitet. Bevor wir in die Hauptteile eintauchen, schauen wir uns zunächst an, was die Hauptkomponenten einer CPU sind und welche Rollen es gibt.

Zwei Hauptkomponenten eines Prozessors

  • Steuergerät – CU
  • Arithmetische und logische Einheit – ALU
  • Steuergerät – CU

Die Steuereinheit CU ist der Teil der CPU, der hilft, die Ausführung von Anweisungen zu koordinieren. Es sagt, was zu tun ist. Gemäß der Anweisung hilft es, die Kabel zu aktivieren, die die CPU mit verschiedenen anderen Teilen des Computers verbinden, einschließlich der ALU. Die Steuereinheit ist die erste Komponente der CPU, die den Befehl zur Verarbeitung erhält.
Es gibt zwei Arten von Steuergeräten:

  • fest verdrahtete Steuergeräte.
  • mikroprogrammierbare (mikroprogrammierte) Steuergeräte.

Festverdrahtete Steuereinheiten sind die Hardware und benötigen die Änderung der Hardware, um Änderungen vorzunehmen. Sie funktionieren dort, wo als mikroprogrammierbare Steuereinheit programmiert werden kann, um ihr Verhalten zu ändern. Fest verdrahtete CUs sind schneller in der Verarbeitungsanweisung und mikroprogrammierbar als flexibler.

Arithmetische und logische Einheit – ALU

Die arithmetische und logische Einheit ALU, wie der Name schon sagt, führt alle arithmetischen und logischen Berechnungen durch. ALU führt die Operationen wie Addition, Subtraktion und Subtraktion durch. ALU besteht aus Logikschaltungen oder Logikgattern, die diese Operationen durchführen.
Die meisten Logikgatter nehmen zwei Eingänge auf und erzeugen einen Ausgang.
Der Balg ist ein Beispiel für eine Halbaddierschaltung, die zwei Eingänge und Ausgänge für das Ergebnis aufnimmt. Hier sind A und B der Eingang, S der Ausgang und C der Übertrag.

Speicherung – Register und Speicher

Die Hauptaufgabe der CPU ist es, die ihr zur Verfügung gestellten Anweisungen auszuführen. Um diese Anweisungen die meiste Zeit zu verarbeiten, benötigt sie Daten. Einige Daten sind Zwischendaten, einige von ihnen sind Eingaben und andere sind die Ausgabe. Diese Daten werden zusammen mit den Anweisungen im folgenden Speicher abgelegt:

Register ist ein kleiner Satz von Orten, an denen die Daten gespeichert werden können. Ein Register ist eine Kombination von Verriegelungen. Schlösser, auch bekannt als Flip-Flops, sind Kombinationen von Logikgattern, die 1 Bit Information speichern.
Eine Verriegelung hat zwei Eingangskabel, Schreib- und Eingangskabel und einen Ausgangskabel. Wir können dem Schreibkabel ermöglichen, Änderungen an den gespeicherten Daten vorzunehmen. Wenn der Schreibdraht deaktiviert ist, bleibt der Ausgang immer gleich.

Die CPU hat Register, um die Daten der Ausgabe zu speichern. Das Senden an den Hauptspeicher (RAM) wäre langsam, da es sich um die Zwischendaten handelt. Diese Daten werden an ein anderes Register gesendet, das durch einen BUS verbunden ist. Ein Register kann Anweisungen, Ausgangsdaten, Speicheradressen oder beliebige Daten speichern.

Speicher(RAM)

Ram ist eine Sammlung von Registern, die optimal zusammengefügt und kompakt sind, so dass sie eine größere Anzahl von Daten speichern können. RAM (Random Access Memory) sind flüchtig und seine Daten gehen verloren, wenn wir das Gerät ausschalten. Da RAM eine Sammlung von Registern zum Lesen/Schreiben von Daten ist, nimmt ein RAM die Eingabe einer 8-Bit-Adresse, die Dateneingabe für die zu speichernden Ist-Daten und schließlich die Lese- und Schreibfreigabe vor, die wie bei den Verriegelungen funktioniert.

Was sind Anweisungen?

Anweisung ist die granulare Levelberechnung, die ein Computer durchführen kann. Es gibt verschiedene Arten von Befehlen, die eine CPU verarbeiten kann.
Die Anweisungen beinhalten:

  • Arithmetik wie Addieren und Subtrahieren
  • Logische Anweisungen wie und, oder, oder, und nicht, und nicht
  • Datenanweisungen wie Bewegen, Eingeben, Ausgeben, Laden und Speichern
  • Kontrollflussanweisungen wie goto, if …. goto, call und return
  • Benachrichtigung der CPU, dass das Programm beendet ist Halt

Anweisungen werden dem Computer mit Hilfe einer Assemblersprache erteilt oder vom Compiler generiert oder in einigen Hochsprachen interpretiert.
Diese Anweisung ist in der CPU fest verdrahtet. ALU enthält die arithmetische und logische, wobei der Kontrollfluss von CU verwaltet wird.
In einem Taktzyklus können Computer eine Anweisung ausführen, aber moderne Computer können mehr als eine ausführen.
Eine Gruppe von Anweisungen, die ein Computer ausführen kann, wird als Befehlssatz bezeichnet.
CPU-Takt
Taktzyklus
Die Geschwindigkeit eines Computers wird durch seinen Taktzyklus bestimmt. Es ist die Anzahl der Taktperioden pro Sekunde, mit denen ein Computer arbeitet. Ein einzelner Taktzyklus ist sehr klein, wie etwa 250 * 10 *-12 Sekunden. Je höher der Taktzyklus, desto schneller ist der Prozessor.
Der CPU-Taktzyklus wird in gHz (Gigahertz) gemessen. 1gHz ist gleich 10 ⁹ Hz(hertz). Ein Hertz bedeutet eine Sekunde. 1Gigahertz bedeutet also 10 ⁹ Zyklen pro Sekunde.

Je schneller der Taktzyklus, desto mehr Anweisungen kann die CPU ausführen.
Taktzyklus = 1/Taktfrequenz
CPU-Zeit = Anzahl der Taktzyklen / Taktfrequenz

Das bedeutet, dass wir die CPU-Zeit verbessern können, indem wir die Taktfrequenz erhöhen oder die Anzahl der Taktzyklen verringern, indem wir den Befehl, den wir der CPU geben, optimieren. Einige Prozessoren bieten die Möglichkeit, den Taktzyklus zu erhöhen, aber da es sich um physikalische Veränderungen handelt, kann es zu einer Überhitzung kommen und sogar zu Rauch und Feuern.