Mikroprozessoren im Überblick: Ein Blick in das Gehirn des Computers

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Was ist ein Mikroprozessor?

Mikroprozessoren sind der Kern eines Computersystems und für die Verarbeitung einzigartiger Anweisungen und Prozesse verantwortlich. Ein Mikroprozessor ist dafür ausgelegt, logische und rechnerische Aufgaben mithilfe gängiger Operationen wie Addition und Subtraktion, Interprozess- und Gerätekommunikation, Eingabe-/Ausgabeverwaltung usw. auszuführen. Die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis, aus dem ein Mikroprozessor besteht, hängt von der relativen Rechenleistung des Geräts ab. Mikroprozessoren werden häufig anhand der Anzahl der Anweisungen, die sie in einer bestimmten Zeit ausführen können, ihrer in Megahertz gemessenen Taktfrequenz und der Anzahl der pro Anweisung benötigten Bits kategorisiert.

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Mikroprozessorkomponenten

Arithmetisch-logische Einheit (ALU): Eine ALU ist ein Rechengerät, das sowohl arithmetische als auch logische Operationen ausführt. Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division sind Beispiele für arithmetische Operationen. Zu den logischen Operationen zählen unter anderem NOR, AND, NAND, OR, XOR, NOT und XNOR.
Steuereinheit: Die Steuereinheit erzeugt Signale, die die anderen Komponenten zum Betrieb verwenden, und wird zum Steuern von Anweisungen verwendet.
Registersatz: Register bilden das Registerarray. Allzweckregister sind solche, die vom Programmierer zum Speichern beliebiger Datentypen verwendet werden, während reservierte Register solche sind, die vom Programmierer nicht zum Speichern von Daten verwendet werden. Die Wortlänge des Computers wird als Registerlänge bezeichnet.
Eingabe-/Ausgabegeräte: Daten werden mithilfe von Eingabe-/Ausgabegeräten zwischen Mikrocomputern und externen Geräten übertragen.

Video zu Mikroprozessoren

Geschichte der Mikroprozessoren

Erste Generation (1971–1973): Der Intel 4004 und der Motorola 6800 waren Beispiele für 4-Bit-Prozessoren der ersten Mikroprozessorgeneration. Sie stellten einen bedeutenden Fortschritt in der Computerentwicklung dar, auch wenn sie eher langsam waren und nur über wenige Funktionen verfügten.
Zweite Generation (1974–1978): 8-Bit-Prozessoren wie der Intel 8080 und der Zilog Z80 bildeten die zweite Generation von Mikroprozessoren. Sie wurden in einem größeren Anwendungsbereich eingesetzt, darunter Heimcomputer und Videospiele, und sie waren deutlich schneller und leistungsfähiger als die vorherige Generation von Mikroprozessoren.
Dritte Generation (1979–1985): Der Motorola 68000 und der Intel 8086 waren zwei Beispiele für Mikroprozessoren der dritten Generation (16-Bit). Sie wurden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Personalcomputer, Workstations und Minicomputer. Sie waren noch schneller und leistungsfähiger als die zweite Generation von Mikroprozessoren.
Vierte Generation (1986–1995): Der Motorola 68030 und der Intel 80386 waren zwei Beispiele für 32-Bit-Prozessoren der vierten Generation von Mikroprozessoren. Sie wurden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Hochleistungs-Workstations, Server und Mainframes. Sie waren noch schneller und leistungsfähiger als die dritte Generation von Mikroprozessoren.
Fünfte Generation (1996–heute): 64-Bit-Prozessoren wie der Intel Pentium und der AMD Athlon bilden die fünfte Generation von Mikroprozessoren. Sie sind die schnellsten und leistungsfähigsten Mikroprozessoren, die jemals entwickelt wurden, und werden in zahlreichen Geräten wie Spielekonsolen, High-End-Servern und Supercomputern eingesetzt.

Mikroprozessortypen

Mikroprozessoren können in zahlreiche Kategorien eingeteilt werden, von denen jede eine einzigartige Funktion hat. Die gängigsten Typen sind unten aufgeführt:

Allzweck-Mikroprozessoren: Diese Mikroprozessoren sind die am weitesten verbreitete Art. Personalcomputer, Laptops und Server sind nur einige der vielen Zwecke, für die sie hergestellt werden.
Eingebettete Mikroprozessoren: Diese Prozessoren sind für den Einsatz in einer Vielzahl verschiedener Produkte vorgesehen, darunter Autos, Haushaltsgeräte und medizinische Geräte. Sie sind oft effizienter und spezialisierter als Allzweck-Mikroprozessoren, aber normalerweise weniger leistungsstark.
Mikrocontroller: Mikrocontroller sind eine Art eingebetteter Mikroprozessor mit Schwerpunkt auf kompakten Geräten mit geringem Stromverbrauch und werden in vielen verschiedenen Gerätetypen eingesetzt. Eingebettete Systeme, Sensoren und Aktoren sind gängige Beispiele für die Art von Geräten, in denen sie eingesetzt werden.
Digitale Signalprozessoren (DSPs): Mikroprozessoren, sogenannte digitale Signalprozessoren (DSPs), werden in Anwendungen eingesetzt, die eine schnelle digitale Signalverarbeitung erfordern, wie etwa die Verarbeitung von Audio und Video.
Grafikprozessoren (GPUs): GPUs sind eine Klasse von Mikroprozessoren, die für den Einsatz in Programmen entwickelt wurden, die eine schnelle Grafikverarbeitung erfordern, wie etwa Computerspiele und computergestütztes Design (CAD).

Wie funktioniert ein Mikroprozessor?

Die grundlegende Funktionsweise eines Mikroprozessors kann in vier Schritte unterteilt werden:

Abrufen: Der Mikroprozessor ruft einen Speicherplatz für eine Anweisung ab.
Dekodieren: Die Anweisung wird vom Mikroprozessor zerlegt, der dann entscheidet, was damit zu tun ist.
Ausführen: Der Befehl wird vom Mikroprozessor ausgeführt.
Rückschreiben: Wenn ein Mikroprozessor einen Befehl ausführt, werden die Ergebnisse im Speicher abgelegt.

Diese vier Schritte werden vom Mikroprozessor für jeden Programmbefehl wiederholt.

Wodurch unterscheidet sich ein Mikroprozessor von einem integrierten Schaltkreis?

Obwohl Mikroprozessoren eine Untergruppe der integrierten Schaltkreise (ICs) sind, verfügen nicht alle ICs über sie. Ein Miniatur-Elektronikschaltkreis, der in einem Stück auf einem Halbleiterchip hergestellt wurde, wird als integrierter Schaltkreis (IC) bezeichnet. Seine Komponenten bestehen aus Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und Dioden. Computer, Mobiltelefone und Autos sind nur einige der vielen elektronischen Geräte, die integrierte Schaltkreise (ICs) verwenden. Die Bestandteile einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) befinden sich alle in einem Mikroprozessor, einer Form eines integrierten Schaltkreises (IC). Die CPU ist das „Gehirn“ eines Computers und ist für die Verarbeitung von Befehlen und die Durchführung von Berechnungen zuständig. Computer, Smartphones und Tablets sind nur einige der vielen Geräte, die Mikroprozessoren benötigen. Ein Mikroprozessor und ein IC unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Komplexität und Verwendung. Im Gegensatz zu einem IC, einem spezialisierteren Gerät, das zur Ausführung bestimmter Vorgänge entwickelt wurde, ist ein Mikroprozessor ein komplizierteres Gerät, das zur Ausführung allgemeiner Computeraufgaben entwickelt wurde. Die wichtigsten Unterschiede zwischen Mikroprozessoren und ICs sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Funktion	Mikroprozessor	Integrierter Schaltkreis (IC)
Zweck	Allgemeine Computeranwendungen	Spezifische Funktion
Komplexität	Komplexer	Weniger komplex
Beispiele	CPU, GPU, FPU	Speicher, Logikgatter, Verstärker
Anwendungen	Computer, Smartphones, Tablets	Autos, Haushaltsgeräte, medizinische Geräte

Ist eine CPU ein Mikroprozessor?

Zweifellos ist eine CPU ein Mikroprozessor. Ein integrierter Schaltkreis (IC), auch integrierter Mikroprozessor genannt, beherbergt eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU). Die Recheneinheit (ALU), die Steuereinheit und die Register befinden sich alle auf demselben Chip, was bedeutet, dass die gesamte CPU darin enthalten ist. Die Computerintelligenz wird von der CPU gesteuert. Ihre Aufgabe besteht darin, die Befehle auszuführen, die der Computer zum Funktionieren benötigt. Die CPU ruft die Anweisungen aus dem Speicher ab und führt jede einzelne aus, nachdem sie dort gespeichert wurde. Obwohl nicht alle Mikroprozessoren CPUs sind, ist eine CPU eine davon. In anderen Geräten wie eingebetteten Systemen und Mikrocontrollern können auch Mikroprozessoren verwendet werden. Im Folgenden sind einige Unterschiede zwischen CPUs und Mikroprozessoren aufgeführt:

Im Allgemeinen sind CPUs leistungsstärker als Mikroprozessoren. Dies ist richtig, weil CPUs für Allzweckgeräte wie Server und PCs hergestellt werden. Eingebettete Systeme und Mikrocontroller sind zwei Beispiele für Anwendungen, für die Mikroprozessoren häufig entwickelt werden.
Mikroprozessoren verfügen über weniger Funktionen als CPUs. Dies liegt daran, dass CPUs in der Lage sein müssen, eine Reihe von Aufgaben zu bewältigen. Da sie für bestimmte Aufgaben vorgesehen sind, verfügen Mikroprozessoren häufig über weniger Funktionen.
Mikroprozessoren sind weniger teuer als CPUs. Dies ist auf die Komplexität und die höheren Komponentenanforderungen von CPUs zurückzuführen. Da sie einfacher sind und billigere Komponenten verwenden, sind Mikroprozessoren häufig weniger teuer.

Alles in allem ist eine CPU eine Art Mikroprozessor, der für allgemeine Zwecke entwickelt wurde. Mikrocontroller und eingebettete Systeme sind zwei Beispiele für andere Geräte, die Mikroprozessoren verwenden.

Die Zukunft der Mikroprozessoren

Mikroprozessoren haben eine rosige Zukunft. Mikroprozessoren werden mit fortschreitender Technologie viel schneller, leistungsfähiger und energieeffizienter werden. Sie werden auch kleiner und billiger. In unserem täglichen Leben haben Mikroprozessoren bereits einen erheblichen Einfluss. Da sie immer stärker in unsere alltäglichen elektronischen Geräte integriert werden, werden sie in Zukunft eine noch größere Rolle spielen.

Fazit

Mikroprozessoren sind eine der wichtigsten Technologien unserer Zeit. Sie dienen als „Gehirn“ mehrerer Geräte, darunter Computer und Mobiltelefone. Mikroprozessoren haben unsere Lebens- und Arbeitsweise verändert und werden auch in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen.