Prozessor und Übertakten

Die Taktfrequenz von Prozessoren

Mit der Taktfrequenz bezeichnet man den Rhythmus in dem Daten in Computern verarbeitet werden. Sie wird in Hertz (Hz) angegeben. Da die Frequenz moderner Prozessoren mehrere milliarden Hertz beträgt, werden die Zahlen oft mit Hilfe von Einheitenpräfixen wie Giga (G) für milliarden oder Mega (M) für millionen abgekürzt. Der Datendurchsatz eines Prozessors ergibt sich aus der Taktfrequenz und der Bandbreite seiner Anbindung an den Hauptspeicher. Die Rechenleistung (gemessen zum Beispiel in MIPS oder FLOPS) ist nicht, wie manchmal angenommen, nur von der Taktfrequenz, sondern auch von der gesamten Architektur des Prozessors abhängig. Selbst bei Prozessoren, die den gleichen Befehlssatz verwenden, können sich bei gleicher Taktfrequenz gravierende Rechenleistungsunterschiede zeigen, deren Ursache zum Beispiel in der IPC-Rate (IPC: Instructions per cycle, Instruktionen pro Takt), firmenspezifischen Features (zum Beispiel SIMD-Erweiterungen) oder in der bereits angesprochenen Speicherbandbreite begründet liegen kann. Die IPC-Rate gibt an, wieviele Instruktionen ein Prozessor durch Parallelisierung gleichzeitig abarbeiten kann. Der Prozessor mit höherer IPC-Rate schafft daher pro Takt mehr Rechenoperationen und „läuft“ daher "schneller".

Übertakten der CPU

Der Takt wird meist mittels Jumpern oder dem BIOS angehoben. Oftmals benötigen übertaktete Komponenten für stabilen Betrieb erhöhte Versorgungsspannungen. Fast immer ist eine verbesserte Kühlung notwendig. Profis verwenden dazu, je nach Geldbeutel, Wasserkühlungen oder Kompressorkühlungen.
Der Takt eines Bauteils setzt sich generell aus zwei Größen zusammen: Der Grundfrequenz (bei CPUs: FSB) und dem Multiplikator. Zum Erreichen des Takts wird die Grundfrequenz mit dem Multiplikator multipliziert. Das heißt hat der FSB einen Takt von 200MHz und im Bios wurde dem Prozessor ein Multiplikator von 11 zugewiesen ergibt sich ein Prozessortakt von 2200 MHz ( 200MHz x 11 = 2200 MHz). Hier kann ma nun den Takt so einstellen wie es benötigt wird. Erhöht man nun aber die Grundfrequenz des Mainboards ( FSB = Frontsidebus ) so erhöht man praktisch den gesamten Takt darunter auch den Ram ( Arbeitsspeicher ) und die Northbridgechip. Diese Bauteile sollte man dann bei übertaktung natürlich auch ausreichend kühlen. D

Es ist also generell möglich, einen Prozessor über den FSB oder den Multiplikator zu übertakten. Viele Prozessorhersteller sperren allerdings den Multiplikator ihrer Prozessoren (bei den meisten Prozessoren ist der Multiplikator nur nach unten offen, was für Overclocker nutzlos ist), so dass nur noch die Übertaktung über den FSB möglich ist.

Desweiteren ist auch das übertakten der Spannung (dem Vcore) relevant. Meist ist es immer sinnvoll den Vcore gleich im zuge des Taktes mitanzuheben. 100MHz mehr Takt = 0,1V mehr Spannung als Standart.

Jedoch sollte man beim übertakten des Prozessors auch auf die maximalen vom Mainboard Hersteller angegeben MHz werte der CPU achten. Wenn ein Mainboard nur 3,2 Ghz unterstützt kann man nicht über diesen Wert hinaus takten! Dies ist nur mit komplizierten Hardmods möglich welche sehr viel Erfahrung und Fachwissen benötigen.

Nach dem übertakten des CPU's und auch anderer Bauteile ist es immer ratsam den Rechner einem Stresstest zu unterziehen um seine Stabilität ermitteln zu können. Dafür eignen sich Programme wie SiSoft Sandra oder SuperPi, sollte der PC im laufe dieser Test dann hängen bleiben oder abstürzen, empfiehlt sich eine herabsetzung des taktes in 10MHz schritten mit wiederholenden Test's usw bis der PC einen stabilen Betrieb auffweisen kann. Dabei sollte man auch seine CPU Temperatur im Auge behalten, diese findet man ebenfalls im Bios des Mainboards oder mit diversen TweakTools für Windows. Eine CPU Temperatur über 60°C ist meist schon zu hoch und kann Abstürtze hervorrufen.

Man sollte auch daran denken das bei jeglichen übertaktungs Versuchen einzelner Bauteile die entsprechende Hersteller Garantie erlischt.

 

Aufbau des Prozessors

Ein Prozessor besteht aus Registern, einem Rechenwerk, einem Befehlsdecoder sowie einem Steuerwerk. Das Rechenwerk ist für arithmetische und logische Funktionen zuständig, Befehlsdecoder und Steuerwerk sind für die Ausführung der Befehle und die Koordination der Funktionseinheiten zuständig. Die Register bilden eine Art kleiner „Spezialspeicher“ für Zwischenergebnisse (z. B. von Rechenoperationen), auf die besonders schnell zugegriffen werden kann. Zur Erhöhung der Rechengeschwindigkeit können Prozessoren mit Caches oder besonderen (etwa einem Hardwaremultiplizierer) bzw. zusätzlichen (etwa einem Fließkommarechenwerk) Rechenwerken ausgestattet sein. Zur effizienteren Bearbeitung von Befehlen werden Pipelines verwendet. Alle komplexeren Prozessoren sind interruptfähig, d.h. eine Unterbrechung des Programmablaufes wird durch ein externes Signal bewirkt. Einige (sehr einfach aufgebaute und damit sehr billige) Prozessoren haben keine Interruptfähigkeit, sondern müssen über Software abfragen, ob ein äußeres Ereignis vorliegt.
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Steuerung durch Befehle

Alle Computerprogramme liegen als binäres Bitmuster im Speicher vor. Diese Bitmuster sind prozessorspezifisch: bestimmte Muster lösen bei unterschiedlichen Prozessoren unterschiedliche elementare Befehle aus. Derartige elementare Prozessorbefehle lassen sich prozessorspezifisch in Maschinensprache oder Assemblersprache programmieren, allerdings ist das Programm dann nicht portabel. Zur Umgehung dieses Problems benutzt man Hochsprachen, etwa C, C++, FORTRAN oder Pascal. Ein spezielles Übersetzungsprogramm (Compiler) setzt dann das Hochsprachenprogramm in für den Prozessor geeignete Maschinensprache um.
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Befehlsbearbeitung

Die Befehlsbearbeitung moderner Prozessoren folgt dem Von-Neumann-Zyklus. Die wichtigsten Phasen sind dabei das Laden des Befehls (FETCH), seine Dekodierung (DECODE) und seine Ausführung (EXECUTE). Gelegentlich unterscheidet man auch noch eine Rückschreibphase, in welcher die Rechenergebnisse in bestimmte Register geschrieben werden.
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Befehlssatz

Der Befehlssatz bezeichnet die Menge der Maschinenbefehle eines Prozessors. Der Umfang des Befehlssatzes variiert je nach Prozessortyp beträchtlich.

Relativ große Befehlssätze findet man in CISC-Prozessoren, möglichst kleine Befehlssätze werden in RISC-Prozessoren angestrebt. Heutige Hochleistungsprozessoren sind in der Regel hybride CISC/RISC-Prozessoren.