Schlüsseltechnologie

Die CPU ist als der zentrale Baustein praktisch aller Computer bekannt. Nachdem wir schon einen kleinen Blick in ihren Speicher geworfen haben, soll es heute darum gehen, wie dieser Baustein dazu gebracht wird, das Richtige zur rechten Zeit zu tun.

• Rückblick: Logikgatter (STP003)

  • aus Gattern lassen sich Schaltkreise bilden, die konkrete Einzelberechnungen anstellen
    • hauptsächlich einfache Rechenoperationen wie "zwei 16-Bit-Zahlen addieren"
    • aber auch teils sehr komplexe Einzeloperationen, z.B. Teilschritte einer bestimmten Hashfunktion (siehe STP004) oder eines bestimmten Audio/Video-Codecs (heißt in Produktbeschreibungen meist Hardware-Beschleunigung)
  • Frage 1: Wie kann man mehrere Operationen nacheinander ausführen?
  • Frage 2: Wie kann man in einem einzelnen Taktschritt aus verschiedenen möglichen Operationen wählen?
  • Frage 3: Wie entsteht daraus ein ganzes Programm, also eine bestimmte Folge von verschiedenen Operationen?

• Antwort auf Frage 1: Taktgenerator

  • analog zum Taktgeber in einer Uhr (Unruh bei mechanischen Uhren, Quartzoszillator bei elektronischen Uhren), aber als mikroeletronische Schaltung realisiert
  • Geschwindigkeitsvergleich: bei Quartzuhren hat der Oszillator meist 32768 Hz
  • heutzutage ist die Taktfrequenz meistens regelbar
    • 1990er: Turbo-Schalter am Gehäuse zum Verdoppeln (bzw. in der anderen Richtung Halbieren) der Taktfrequenz
    • seit den 2000ern: ACPI und Co., Energiesparen durch bedarfsgerechtes Heruntertakten der CPU-Kerne
    • Heruntertakten als Schutz vor Überhitzung (nach Überlastung oder beim Versagen der Kühlung)
  • unter Linux: aktuelle Taktfrequenz auslesen mittels grep '^cpu MHz' /proc/cpuinfo

• Antwort auf Frage 2: Arithmetisch-logische Einheit (ALU)

  • Idee: neben 2N Eingängen für zwei N-Bit-Eingabezahlen noch weitere Eingänge, die einen Opcode darstellen, also eine fortlaufende Nummer für die gewünschte Rechenoperation
  • Opcode bestimmt, von welchem Teilschaltkreis das Ergebnis nach außen durchgereicht wird
  • hierzu zusätzliche Logikschaltung am Ende: Ausgabe = ((Opcode = 1) AND Ausgabe1) OR ((Opcode = 2) AND Ausgabe2) OR ...
  • analog zur ALU gibt es meist noch eine FPU für Fließkommazahl-Operationen

• Antwort auf Frage 3: Steuerwerk in der CPU (oder GPU)

  • Programmdatei besteht aus einer Folge von Befehlen, die im Arbeitsspeicher vorliegen
  • Steuerwerk hat einen Befehlszeiger (Instruction Pointer), der auf den jeweils nächsten Befehl zeigt

• Befehle sind in Maschinensprache kodiert

  • meist 16/32/64 Bit groß (je nach Prozessorarchitektur)
  • für Rechenbefehle wie "Addition" oder "Multiplikation"
    • den Opcode (welche Berechnung auszuführen ist)
    • aus welchen Prozessorregister die Eingabe kommt (evtl. ist ein Eingabewert eine Konstante wie "0" oder "1" und steckt direkt im Befehl drin)
    • in welches Prozessorregister die Ausgabe geht
  • andere Befehlsarten:
    • Load: aus dem Hauptspeicher einen Wert in ein Prozessorregister holen (Parameter: Quelladresse und Zielregister)
    • Store: genau andersherum (Parameter: Quellregister und Zieladresse)
    • Compare: schickt zwei Zahlen aus Registern an die ALU, aber statt einer Ergebniszahl gibt es einen Satz von Flags wie "A ist gleich B" oder "A ist kleiner als B" zurück
    • Jump: aktualisiert den Befehlszeiger, evtl. nur wenn ein bestimmtes Flag gesetzt ist (zum Beispiel Gleichheits-Flag aus einem vorherigen Compare oder Überlauf-Flag aus einer vorherigen Addition)
    • Call/Return: Call macht einen Sprung, aber speichert vorher die aktuelle Position in einen designierten Teil des Arbeitsspeichers; Return springt an den Ursprung des letzten Call zurück (damit verschachtelbare Unterprogramme realisierbar)

• Ausführung eines Befehls ist unterteilt in mehrere Schritte

  • grobe Skizze der Abarbeitung eines einzelnen Befehls (Schritt 2-5 jeweils nur, sofern für den entsprechenden Befehl zutreffend)
    • Schritt 1: Auslesen und Dekodieren des Befehls
    • Schritt 2: Laden der Eingabewerte aus den entsprechenden Registern
    • Schritt 3: Ausführen des Befehls (z.B. bei Rechenbefehlen mittels der ALU oder FPU)
    • Schritt 4: Speichern des Ausgabewertes im entsprechenden Zielregister
    • Schritt 5: Verschieben des Befehlszeigers auf den Folgebefehl
  • in der Praxis meist noch viel mehr Teilschritte (z.B. moderne x86-CPUs: über 40 Pipeline-Schritte)
  • Pipelining: wenn ein Befehl einen bestimmten Schritt durchlaufen hat, kann hier meist schon mit dem nächsten Befehl begonnen werden, auch wenn der vorherige Befehl noch nicht komplett abgearbeitet war
  • spekulative Ausführung (Speculative Execution): nachfolgende Befehle rechnen mit den Daten, von denen die CPU glaubt, dass sie wahrscheinlich aktuell sein werden, sobald derjenige Befehl tatsächlich an der Reihe ist
  • Sprungvorhersage (Branch Prediction): bei einem Sprungbefehl mit Vorbedingung muss die CPU möglichst gut abschätzen, ob die Vorbedingung eintritt und der Sprung vollzogen wird, um die nächsten Befehle vorhersagen zu können
  • Verbesserungen in spekulativer Ausführung und Sprungvorhersage sind einer der Hauptgründe, warum Desktop-CPUs auch ohne höhere Taktfrequenzen immer schneller geworden sind

• Überlegungen für schnelle Programme

  • Sprungbefehle sind für schnelle Programme ein Problem: wenn die CPU einen Sprung falsch vorhersagt, muss nach dem Ausführen des Sprungs die gesamte Pipeline verworfen und neu gefüllt werden
  • verschiedene Befehle dauern unterschiedlich lange in der Berechnung (z.B. Multiplikation ist langsamer als Addition ist langsamer als Bit-Shift); entsprechende Austauschungen finden in Compilern meist automatisch statt, z.B. 2 * x -> x + x oder 8 * x -> x << 3