Mikroprozessor

Was ist ein Mikroprozessor?

Ein Mikroprozessor ist ein Halbleiterchip, der als Gehirn eines Computers dient, verschiedene Rechenoperationen ausführt und Peripheriegeräte steuert.

Bis etwa 1970 bestand das Gehirn eines Computers aus einer großen Leiterplatte, die aus mehreren Halbleiterchips zusammengesetzt war, doch dank der Fortschritte bei den Halbleitern war es möglich, einen einzigen Chip herzustellen und die ersten Mikroprozessoren wurden 1971 ausgeliefert.

Abgesehen vom Mikroprozessor lassen sich die Elemente, aus denen ein Computer besteht, in die Kategorien Speicher, Grafik, Festplattenlaufwerke, Ethernet-Kommunikationsschnittstellen und andere Eingabe-/Ausgabegeräte einteilen. Als die ersten Mikroprozessoren auf den Markt kamen, waren die anderen Komponenten auf separaten Halbleiterchips untergebracht, die dann zu Computern zusammengefügt wurden.

Spätere Fortschritte und Verfeinerungen in der Halbleiter-Mikrofabrikation haben dazu geführt, dass Speicher, Grafik und verschiedene Schnittstellenfunktionen, die früher auf separaten Chips vom Mikroprozessor untergebracht waren, jetzt in den Mikroprozessor integriert sind, was wesentlich dazu beiträgt, die Geräte kleiner und leichter zu machen.

Anwendungen von Mikroprozessoren

Mikroprozessoren werden in fast allen Geräten eingesetzt, die arithmetische Funktionen und Steuerungen benötigen.

In Computersystemen werden Mikroprozessoren unterschiedlicher Größe in Supercomputern, Hochleistungsrechnern für den professionellen und privaten Gebrauch, Notebooks, Smartphones und Tablet-PCs eingesetzt.

Sie finden sich auch in einer breiten Palette von Geräten für den privaten und professionellen Gebrauch. Dazu gehören Mobiltelefone, Smartphones, Fernsehgeräte, Recorder und verschiedene Audiogeräte sowie Autos, Motorräder und verschiedene Messgeräte für den professionellen Einsatz. Viele der Mikroprozessoren in diesen Geräten werden auch als Ein-Chip-Mikrocomputer bezeichnet, die auch Peripheriegeräte und andere für den jeweiligen Bereich und die jeweilige Anwendung optimierte Komponenten enthalten, was zur Miniaturisierung der Geräte beiträgt.

Funktionsweise der Mikroprozessoren

Mikroprozessoren führen Operationen und Steuerungen durch, indem sie Anweisungen aus dem Speicher lesen, dekodieren und ausführen. Im Einzelnen führen sie die folgenden Operationen durch:

• Abrufen: Lesen von Befehlen aus dem Speicher
• Dekodierung: Dekodierung des gelesenen Befehls
• Ausführung: Ausführung von Operationen und Steuerungen gemäß den dekodierten Befehlen
• Zurückschreiben: Schreiben der Ergebnisse einer Operation in den Speicher oder in periphere Geräte

Durch Wiederholung der obigen Schritte 1-4 ist es möglich, z. B. Tabellenkalkulationen, Videodisplays und Raumtemperaturregelungen auszuführen.

Auswahl eines Mikroprozessors 

Mikroprozessoren sind in verschiedenen Modellen für unterschiedliche Anwendungen erhältlich. Sie lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: für PCs und für eingebettete Anwendungen.

1. Für PCs

Mikroprozessoren für PCs haben eine hohe Verarbeitungsleistung und können aufgrund ihrer großen Speicherkapazität große Anwendungen und Daten verarbeiten. Außerdem können sie, wenn sie unter Windows laufen, viele Anwendungen nutzen und die Entwicklungskosten senken. Allerdings sind die Kosten in der Massenproduktion tendenziell höher als bei eingebetteten Anwendungen.

2. Für eingebettete Anwendungen

Eingebettete Geräte sind relativ kostengünstig, da sie mit Eingabe-/Ausgabefunktionen wie Timerfunktionen, AD-Wandlern und D/A-Wandlern ausgestattet sind. Ihre Verarbeitungskapazität ist jedoch geringer als die von PCs. Außerdem stehen keine Anwendungen zur Verfügung, so dass der Umfang der Softwareentwicklung bestimmt werden muss.

Weitere Informationen über Mikroprozessoren

1. Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und CPUs

CPUs (Central Processing Unit) sind den Mikroprozessoren ähnlich.

Im Grunde sind Mikroprozessoren und CPUs dasselbe: Sie sind der zentrale Teil eines Computers, der für die Verarbeitung zuständig ist und CPUs gehören zu den Mikroprozessoren, weil sie Verarbeitungseinheiten aus integrierten Schaltkreisen sind, was der Definition eines Mikroprozessors entspricht.

In den Anfängen der Computertechnologie waren die Computer groß und die CPUs bestanden aus vielen Einheiten. Im Zuge der technologischen Entwicklung wurden Mikroprozessoren entwickelt, die in integrierte Schaltkreise integriert wurden und diese werden heute üblicherweise als CPUs verwendet. Da es jedoch auch andere Mikroprozessoren wie z. B. GPUs im Computerbereich gibt, ist es irreführend, eine CPU als Mikroprozessor zu bezeichnen. Daher ist es in den letzten Jahren üblicher, sie als CPUs zu bezeichnen.

2. Anzahl der Bits und Betriebsfrequenz von Mikroprozessoren

Mikroprozessoren verfügen über eine feste Datenmenge, die in einem einzigen Vorgang nach einer Norm verarbeitet werden kann. Ursprünglich konnten nur 4 Bit verarbeitet werden, aber in den letzten Jahren sind 64 Bit üblich geworden.

In der Vergangenheit wurden Betriebssysteme wie Windows für 32-Bit-Mikroprozessoren entwickelt, aber in den letzten Jahren hat sich ein Wechsel zu 64-Bit-Betriebssystemen vollzogen. Da die beiden nicht kompatibel sind, kann Software, die für 32-Bit entwickelt wurde, nicht auf 64-Bit-Systemen verwendet werden. Die Umstellung hat daher lange gedauert.

Außerdem arbeiten Mikroprozessoren intern nach periodischen Signalen, den so genannten Taktsignalen und je höher die Frequenz der Signale ist, desto schneller arbeiten sie. Mikroprozessoren, die in der GHz-Klasse arbeiten, sind in modernen Produkten üblich, was bedeutet, dass sie eine Milliarde Operationen pro Sekunde durchführen können.