Prozessor, Mikroprozessor, Mikrocontroller, Signalprozessor ...

Der Prozessor ist die Funktionseinheit des Computers, die die eigentlichen Verarbeitungsleistungen erbringt. Er leistet zweierlei: (1) die eigentlichen elementaren Informationswandlungen (Verarbeitungsoperationen), mit denen die jeweilige Verarbeitungsaufgabe gelöst wird, und (2) die Steuerung der Verarbeitungsabläufe. Mit anderen – weiter unten näher erklärten – Worten: der Prozessor führt die Maschinenprogramme aus, indem er Maschinenbefehl für Maschinenbefehl aus dem Speicher holt und die jeweiligen Informationswandlungen oder Steuerwirkungen entweder selbst erledigt oder andere Einrichtungen dazu veranlasst. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Stellung des Prozessors als zentrale, verarbeitende und steuernde Einrichtung in typischen Computern. Abgeleitet von dieser zentralen Stellung wird gelegentlich auch die Bezeichnung „Zentrale Verarbeitungseinheit” (Central Processing Unit; CPU) verwendet.

Dies ist ein Prozessor, der komplett auf einem einzigen Schaltkreis untergebracht ist. Die Prozessoren in Personalcomputern sind ausschließlich Mikroprozessoren. Mikrocontroller sind Mikroprozessoren, die vorzugsweise für Steuerungsaufgaben vorgesehen sind. Sie enthalten weitere Funktionseinheiten, wie Speicher (ROM, RAM) und Anschlussschaltungen (E-A-Ports). Es handelt sich im Grunde um vollständige Computer in einem einzigen Schaltkreis. In Geräte oder Funktionseinheiten eingebaute Mikrocontroller sind vom Hersteller fest programmiert worden und in dieser Hinsicht für Nutzer, Programmierer und Servicetechniker gleichermaßen unzugänglich. Beispielsweise enthält jede PC-Tastatur einen Mikrocontroller.

Ein solcher Prozessor ist für die extrem schnelle Ausführung besonderer Verarbeitungsaufgaben ausgelegt. Manche Spezialprozessoren sind darüber hinaus fähig, universelle Verarbeitungsaufgaben wahrzunehmen, manche nicht. Ein typisches Einsatzgebiet von Spezialprozessoren ist die Computergrafik.

Ein solcher Prozessor ist dazu vorgesehen, Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung auszuführen. Diese Algorithmen sind dadurch gekennzeichnet, dass sehr viele Rechenoperationen (vor allem: Addieren und Multiplizieren) über durchlaufende Datenströme (z. B. Audio- oder Videodaten) auszuführen sind. Die digitale Signalverarbeitung kann praktisch all das leisten, was herkömmlicherweise mit „analog” wirkenden Schaltungen (den Schaltungen der „klassischen” Wechselstrom- und Regelungstechnik) erledigt wurde (Filterung, Schwingungserzeugung, Regelung usw.). Die Möglichkeiten gehen aber weit über eine bloße Nachbildung des Herkömmlichen hinaus. Signalprozessoren und Spezialschaltungen der digitalen Signalverarbeitung werden in riesigen Stückzahlen gefertigt. Was den PC-Bereich betrifft, so sind sie u. a. in Laufwerken und Modems zu finden. Ein weiterer Trend: universelle Prozessoren werden um Funktionen ergänzt, die vor allem auch die Signalverarbeitung unterstützen. (So eignen sich die unter Begriffen wie MMX, 3DNow, SSE usw. bekannten Erweiterungen der PC-Prozessoren auch dazu, Algorithmen der Signalverarbeitung auszuführen.)

Das ist ein Spezialprozessor, der einen universellen Prozessor in Hinsicht auf bestimmte Funktionen erweitert.

Ein Beschleuniger ist eine Einrichtung, die – als Hardware – Funktionen erbringt, welche typischerweise mit Software realisiert werden. Zu den bekanntesten Beschleunigern gehören die Grafikbeschleuniger. Eine solche Einrichtung übernimmt leistungsentscheidende Abläufe des Aufbaus grafischer Bildschirmdarstellungen.

„Gewöhnliche” Prozessoren können nur sehr einfache Operationen ausführen. Alle komplizierteren Abläufe müssen aus diesen elementaren Operationen zusammengesetzt werden. Um bestimmte Abläufe zu beschleunigen, hat man Prozessoren mit zusätzlichen Befehlen ausgerüstet. Es handelt sich praktisch darum, einen entsprechende Coprozessoren oder Hardware-Beschleuniger in den Prozessor einzubauen. Im PC-Bereich kennen wir beispielsweise die MMX-Erweiterung, die 3DNow-Erweiterung und die SSE-Erweiterungen (SSE = SIMD Streaming Extensions).

Es liegt nahe, durch Einsatz mehrerer Prozessoren die Verarbeitungsleistung eines Computersystems nach dem Prinzip „viel hilft viel” weiter zu steigern. In der Tat ist dies eine wichtige Entwicklungsrichtung. Es ist allerdings nicht so einfach, wie es sich zunächst anhört. Darauf werden wir in Lehreinheit 3 näher eingehen.

In solchen Systemen sind mehrere Prozessoren im Verbund angeordnet. Auch verschiedene Prozessortypen des PC-Bereichs sind so ausgelegt, dass Multiprozessorkonfigurationen ohne besonderen Zusatzaufwand realisiert werden können. Kostengünstige Systeme haben typischerweise 2 oder 4 Prozessoren. Hingegen sind in den oberen Preis- und Leistungsklassen nahezu beliebige Steigerungen möglich (mit 8, 16, 32 usw. Prozessoren beginnend).

Das ist kein Druckfehler. Gemeint ist, dass ein Prozessorschaltkreis die Funktionen von zwei, vier oder mehr unabhängigen Prozessoren ausführen kann. Solche Lösungen wurden erst möglich, als man viele Millionen Transistoren auf einem einzigen Schaltkreis unterbringen konnte. Hierbei gibt es zwei Prinzipien:

1. Die Hardware eines Prozessors wird auf trickreiche Weise erweitert, so dass sich die Anordnung so verhält, als hätte man beispielsweise zwei unabhängige Prozessoren in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut. Der Markenname von Intel: Hyper-Threading Technology) (HT Technology).
2. Heutzutage kann man tatsächlich zwei, vier und mehr komplette Prozessoren (Prozessorkerne; Processor Cores) auf einem Schaltkreis unterbringen, wobei nur einige Funktionseinheiten (z. B. der Busanschluss) gemeinsam genutzt werden.

Der Prozessorkern umfasst die Steuer- und Verarbeitungsschaltungen sowie die Schnittstellen zum Speicher und zu den E-A-Einrichtungen. Moderne Prozessorschaltkreise können mehrere Prozessorkerne (Processor Cores) enthalten. Dem aktuellen Stand der Technik gemäß wird der Prozessorkern auf dem Schaltkreis durch Pufferspeicher vergleichsweise geringer Kapazität ergänzt (Caches); das eigentliche Arbeitsspeichersubsystem befindet sich außerhalb.

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