MPU (Mikroprozessor)

Ein Mikroprozessor (MPU) ist eine Hardware-Funktionseinheit, die als integrierte Schaltung (IC) ausgeführt ist. Sie besteht aus logischen Funktionseinheiten, die durch Befehlssätze gesteuert werden und arithmetische Berechnungen ausführen. Ein Mikroprozessor oder auch Prozessor enthält als Funktionseinheiten das Rechenwerk (ALU), das Steuerwerk (CU), die Register und Ein- und Ausgabeeinheiten. Diese Funktionseinheiten werden durch umfangreiche Befehlssätze gesteuert.

Komponenten eines Mikroprozessors

Die wichtigsten Leistungskriterien von Mikroprozessoren umfassen den Befehlssatz, die Datenwortbreite des Daten- und Adressbusses sowie die Anzahl der Operationen pro Sekunde. Wobei diese von der Taktfrequenz und der Datenwortbreite bestimmt werden. Daher werden Prozessoren immer mit der internen Datenbusbreite bezeichnet, die die verarbeitende Datenwortbreite angibt: 4-, 8-, 16-, 32- und 64-Bit-Mikroprozessor.

Die historische Entwicklung der Mikroprozessoren reicht in das Jahr 1971 zurück als mit dem ersten Intel-Typ 4004 der erste 4-Bit-Prozessor auf den Markt kam, dessen integrierte Schaltung über 2.300 Transistoren verfügte. Im Jahre 1972 kam mit dem 8008 der erste 8-Bit-Prozessor, der bereits 16 KB Speicher adressieren konnte und 300.000 Befehle pro Sekunde ausführte. Er arbeitete noch mit einer Taktfrequenz von 500 kHz. Einer der Nachfolger, der 8080 aus dem Jahre 1974 hatte eine Leistung von 0,3 MIPS und einen 16 Bit breiten Adressbus über den ein 64-KB-Speicher adressiert werden konnte. Ein Jahr später hatte DEC mit dem LSI-11 einen 16-Bit-Prozessor für 64 KB, gefolgt von dem Intel-16-Bit-Typ 8086 im Jahre 1978 mit einer Taktrate von 5 MHz. Ein Jahr später erreicht die Integrationsdichte bei dem Motorola-Typ 68000 bereits bei 68.000 Transistoren.

Die Integrationsdichte von Chips

Es folgen die Intel-Prozessoren 80186, 80188 und 80286, die, wie alle nachfolgenden superskalar sind und mehrere Befehle gleichzeitig ausführen können. Der 80286 mit einer max. Taktrate von 16 MHz, etwa 130.000 Transistoren, einer Datentransferrate von 12,5 MB/s und einem 16-MB-Speicher. Diese CPU wurde mit einer Taktrate von 8 MHz getaktet. Die Nachfolgetypen sind der 80386 und der 80486 als 32-Bit-Prozessor und einer Busgeschwindigkeit von 32 MB/s. Der 80486 hat eine Integrationsdichte von 1,2 Millionen Transistoren, einen integriertes Cache von 8 KB und eine anfängliche Taktrate von 25 MHz, die später auf 66 MHz und 1994 auf 100 MHz erhöht wurde. Die Intel-Bezeichnungen der Serie 80x86 wurden mit der Einführung der Pentium-Serie durch die Bezeichnung Pentium abgelöst.

Der 1993 vorgestellte Pentium I hatte Taktraten von 75 MHz, 90 MHz und 100 MHz, die später auf 133 MHz erhöht wurden. Er passte in den CPU-Sockel 5, später in den Sockel 7. Die Datenwortbreite ist 32 Bit, wobei die interne Verarbeitung mit 64 Bit abgewickelt wird. Die Anzahl der Transistoren liegt bei über 3 Millionen, womit der Pentium von der Integrationstechnologie her SLSI zuzurechnen ist. Weiterentwicklungen zu höheren Taktraten und erweiterten Caches führen zum Pentium Pro und zum Pentium MMX mit Taktraten bis zu 200 MHz. Parallel dazu wurde von AMD der K6 mit 233 MHz entwickelt. Im Jahre 1997 folgte der Pentium II mit 233 MHz, später dann mit 300 MHz, 333 MHz, und 400 MHz, der auf der Architektur des Vorgängermodells und des Befehlssatzes des MMX basiert.

Übersicht über die Pentium-Prozessoren

Mit dem Pentium III aus dem Jahre 1999 wurden die Taktraten von 450 MHz über 600 MHz auf 700 MHz erhöht. Die Anzahl der Transistoren stieg auf 9,5 Millionen und die Leistung auf 150 MFLOPS. Als Mitbewerber stellte AMD den K6-2 vor, der mittels 0,25 µm-Technologie 9,3 Mio. Transistoren integrierte. Die Taktraten waren vergleichbar zu denen des Pentium II; sie lagen bei 333 MHz und wurden auf 450 MHz und 1999 auf 500 MHz erhöht.

Der folgende K7 von AMD arbeitete mit 500 MHz, später mit 1 GHz Taktrate. Mit dem Pentium 4 wurde ein weiterer Technologieschritt getan, der sich in der Vervierfachung der Transistoren auf über 42 Millionen ausdrückt. Diese Integrationsdichte basiert auf einer 0,18-µm-Technologie und ist ELSI zuzurechnen. Die Taktraten von 1,4 GHz und 1,5 GHz verdeutlichen den Leistungssprung. In Hyperthreading betragen die Taktraten weit über 2 GHz.

1991 wurden mit dem Alpha-Prozessor von DEC und dem MIPS-Prozessor R4000 die ersten 64-Bit-Prozessoren vorgestellt, zu denen später der Ultra SPARC von Sun, der PA-RISC von HP und der Opteron von Advanced Micro Devices (AMD) kamen.

Die wichtigsten Entwicklungsschritte beziehen sich auf die Vervielfachung der Taktfrequenz von einigen 100 kHz bis in den GHz-Bereich, auf die mehrfachen Erweiterungen des Befehlssatzes wie MMX, ISSE und 3DNow, auf die Integration von Coprozessoren zur Beschleunigung der Rechenzeit, auf die Erweiterung des Datenbusses von 4 Bit auf 64 Bit, auf die Integration, die Trennung und Vergrößerung der Caches und auf die Architektur hinsichtlich der superskalaren Technik.

Mikroprozessoren werden für bestimmte Anwendungen entwickelt, sie können aber auch universell ausgelegt sein, wie die CPU eines Computers. Die Einsatzbereich für Prozessoren reichen von der Computertechnik, dort in Form der CPU, über die Prozesssteuerung, Konsum- und Kfz-Industrie, über die Mess- und Medizintechnik, die Satelliten- und Nachrichtentechnik, bis in die Haushaltstechnik. Es gibt kaum einen Lebensbereich in dem keine Prozessoren funktionsunterstützend eingreifen.