Was ist eine MPU?
Eine MPU (Englisch: Micro Processing Unit) ist ein Halbleiterbauelement, das numerische und logische Verarbeitungen nach einem Programm durchführt.
Sie werden auch Mikroprozessoren genannt und spielen eine zentrale Rolle in Computern. Zu Beginn der Entwicklung von Computern konnten mit Hilfe der Halbleitertechnologie nur einige tausend Transistoren auf einem einzigen Chip integriert werden. In jüngster Zeit ist es jedoch möglich geworden, bis zu einer Milliarde Transistoren zu integrieren, und die zunehmende Anzahl von Funktionen, die in MPUs integriert sind, hat wesentlich dazu beigetragen, dass die Geräte kleiner und leichter geworden sind und weniger Strom verbrauchen.
Anwendungen von MPUs
MPUs sind in allen Computern eingebaut. Computer bestehen hauptsächlich aus diesem MPUs, Arbeitsspeicher, Speichergeräten wie SSDs und HDDs und Eingabe-/Ausgabegeräten wie Tastaturen, Mäusen, Monitoren und Lautsprechern.
Heutzutage sind sie standardmäßig mit einer Schnittstelle für die Internetverbindung ausgestattet und können auch mit einer GPU (Graphics Processing Unit) für die Grafikverarbeitung oder einem Vektorprozessor für die KI-Verarbeitung ausgestattet sein und werden für 3DCG, verschiedene Arten der Erkennung usw. verwendet.
Ein ähnliches Gerät wie die MPU ist der Mikroprozessor (MCU). Während die MPU in allgemeinen Produkten, vor allem in Computern, eingebaut ist, wird der Mikroprozessor in Haushaltsgeräten wie audiovisuellen Geräten, Industrieanlagen und Autos eingebaut und dient ausschließlich der Steuerung der Geräte. MCUs werden in Haushaltsgeräten wie audiovisuellen Geräten, Industrieanlagen und Kraftfahrzeugen für den begrenzten Zweck der Steuerung der Geräte verwendet.
In den letzten Jahren hat sich die Grenze zwischen MPUs und MCUs verwischt, da immer mehr Produkte Benutzerprogramme auf Geräten mit begrenztem Verwendungszweck ausführen, wie z. B. Smartphones.
Funktionsweise von MPUs
MPUs enthalten eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), die Befehle und aus dem Speicher gelesene Daten verarbeitet. Außerdem verfügt sie über eine eingebaute Speicherverwaltungseinheit, die für das Programm sichtbare logische Adressen in für die Hardware sichtbare physikalische Adressen umwandelt, sowie über einen eingebauten Cache-Speicher, der den Speicherzugriff beschleunigt und die Programmverarbeitungszeit verkürzt.
Die gesamte MPU läuft mit einem Takt, der vom eingebauten Taktgenerator erzeugt wird. Einige MPUs arbeiten mit Taktfrequenzen von mehreren GHz, so dass Milliarden von Berechnungen pro Sekunde durchgeführt werden können.
Die Ergebnisse der Verarbeitung in den MPUs werden auch an die Ausgabegeräte – Monitore, Lautsprecher, Drucker usw. – gesendet, um den Betrieb der jeweiligen Geräte zu steuern.
Arten von MPUs
MPUs werden je nach Architektur grob in zwei Typen eingeteilt: CISC und RISC. Die Architektur beschreibt das Designkonzept und bezieht sich insbesondere auf den Befehlssatz.
Ein Befehlssatz ist eine Reihe von Befehlen, die die MPU direkt liest und die durch 0en und 1en dargestellt werden. Bei der normalen Programmierung wird eine Programmiersprache, die Hochsprache, verwendet, die vom Compiler des Betriebssystems in einen in 0/1 ausgedrückten Befehlssatz umgewandelt und von den MPUs ausgeführt wird.
1. CISC
CISC (Englisch: Complex Instruction Set) ist eine Methode, bei der ein einziger Befehl eine Reihe komplexer Prozesse ausführt. Man kann sagen, dass es sich um eine arithmetische Methode handelt, die darauf abzielt, die Leistung des Mikrocomputers zu verbessern, indem die Verarbeitung mit so wenigen Befehlen wie möglich abgeschlossen wird.
Einige Befehle führen einfache Prozesse aus. In diesem Fall werden sie auch als Befehlssätze mit variabler Länge bezeichnet, da die Bitlänge des Befehls verkürzt wird, was zu einer kompakten Programmgröße führt. Aus diesem Grund werden sie häufig in Steuerungsanwendungen eingesetzt, bei denen nur ein vordefiniertes Programm in den internen ROM geschrieben und die Verarbeitung ausgeführt wird.
2. RISC
RISC (Reduced Instruction Set) ist eine Art von Befehlsausführungssystem, bei dem jeder Befehl nur einen einfachen Prozess ausführt und daher die Ausführungsgeschwindigkeit jedes Befehls hoch ist. Bei RISC ist die Bitlänge der Befehle fest und wird auch als Befehlssatz mit fester Länge bezeichnet; es ist für allgemeine Anwendungen wie Computer gedacht.
Obwohl weniger verbreitet als die beiden oben genannten Typen, gibt es auch eine MPU namens VLIW (Very Long Instruction Word), die eine Befehlslänge von 128 Bit oder mehr hat und mehrere Befehle gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit ausführt.
Weitere Informationen über MPUs
Entwicklung der MPUs
Die MPUs haben sich zusammen mit der Halbleitertechnologie entwickelt. Die erste MPU der Welt war der 4-Bit-Intel 4040, die von den Japanern in einem 10um-Prozess gebaut wurde, 2200 Transistoren enthielt und mit 750 KHz arbeitete.
Die neuesten MPUs werden mit Prozessregeln von mehreren nm gebaut, integrieren Milliarden von Transistoren und arbeiten mit mehreren GHz. Die Halbleitertechnologie nähert sich der Grenze zur atomaren Größe, entwickelt sich aber weiter mit der Entwicklung von Technologien, die es ermöglichen, Transistoren, die bisher auf einer flachen Oberfläche geformt wurden, auch vertikal zu formen.
Gleichzeitig gibt es Bestrebungen zur Realisierung von MPUs aus Halbleitern in optischen Geräten, und es wird auch an der Entwicklung von Quantenprozessoren geforscht, so dass die Entwicklung von MPUs auch in Zukunft weitergehen dürfte.