Prozessorkern

Begriff und Bedeutung

Ein Prozessorkern oder Rechenkern (englisch core) ist der zentrale Teil eines Mikroprozessors, der Befehle verarbeitet und Berechnungen ausführt. Besitzt ein Prozessor nur einen Kern, wird dieser teilweise gleichbedeutend als Central Processing Unit (CPU) bezeichnet.

Moderne Mikroprozessoren können mehrere Rechenkerne enthalten. Solche Prozessoren heißen Mehrkernprozessoren oder Multiprozessoren und sind seit den 2010er Jahren in zahlreichen Geräten verfügbar. Der Prozessorkern bildet den besonders komplexen, hoch spezialisierten und optimierten Teil eines Prozessors.

Aufbau eines Prozessorkerns

Ein moderner Prozessorkern integriert zahlreiche Komponenten auf einem Chip. Solche hochkomplexen Rechenkerne werden als Systems-on-Chip (SoC) bezeichnet und mit Methoden des Systems Engineering sowie der Electronic Design Automation (EDA), also der rechnergestützten Entwicklung elektronischer Systeme, entworfen.

Mindestens gehören folgende Bestandteile zu einem Prozessorkern:

• Das Rechenwerk führt die eigentliche Datenverarbeitung aus.
• Die arithmetisch-logische Einheit (ALU) enthält Schaltungsblöcke für logische Operationen und Ganzzahloperationen.
• Rechenregister sind besonders schnelle interne Speicherplätze. Dazu zählen der Akkumulator und meist weitere Register.
• Wesentliche Teile des Steuerwerks koordinieren die Ausführung der Befehle.
• Der Adress-Dekoder verwaltet Speicheradressen und zählt sie gegebenenfalls weiter. Er unterstützt außerdem das Laden von Werten aus Speicheradressen in Register und das Speichern von Registerwerten an Speicheradressen.
• Der Instruktions-Dekoder entschlüsselt den aktuellen Befehl. Dazu verschaltet er Register als Ein- und Ausgänge mit den benötigten Funktionsblöcken der ALU.
• Eine Schnittstelle verbindet den Kern mit einem Speicherbus, über den Daten und Befehle übertragen werden.

Optional kann ein Kern weitere Bestandteile enthalten: Ein Interrupt-Dekoder verarbeitet Unterbrechungsanforderungen; ein Cache hält häufig benötigte Daten besonders schnell bereit; eine Gleitkommaeinheit führt Berechnungen mit Gleitkommazahlen aus; und eine Memory Management Unit (MMU) verwaltet den Speicher. Hinzu kommen gegebenenfalls weitere Mechanismen, die eng mit der inneren Prozessorarchitektur verbunden sind.

Architekturen und Prozessorfamilien

Ein Prozessorkern ist die reale Implementierung einer Prozessorarchitektur. Jede Architektur besitzt einen eigenen Befehlssatz, also die Menge der Befehle, die der Prozessor ausführen kann. Für die Programmerstellung wird ein zur jeweiligen Architektur passender Compiler benötigt.

Verschiedene Prozessortypen mit weitgehend gleichem Kerndesign bilden eine Prozessorfamilie. Wird ein Design deutlich überarbeitet oder verändert, entsteht eine neue Familie. Diese bleibt fast immer abwärtskompatibel, sodass ältere Programme oder Befehle weiterhin unterstützt werden. Wird die Abwärtskompatibilität aufgegeben, spricht man im Allgemeinen von einer neuen oder anderen Prozessorarchitektur.

Bei der Chipentwicklung dient der Prozessorkern als Modul, das mit weiteren Modulen zu einem vollständigen Prozessor kombiniert wird. Ein Beispiel ist die Power Management Unit (PMU), die als Bestandteil der CPU deren Energieversorgung und Energieverbrauch verwaltet. Kerne können unterschiedlich konfiguriert werden, etwa mit mehr oder weniger Registern oder mit beziehungsweise ohne Gleitkommaeinheit. So entstehen verschiedene Derivate, die weiterhin derselben Architekturfamilie angehören.

Die ARM-Architektur wird beispielsweise im Rahmen eines Intellectual-Property-(IP-)Geschäftsmodells konfigurierbar angeboten. Mikroprozessoren werden von spezialisierten Unternehmen der Halbleiterindustrie entwickelt und von spezialisierten Halbleiterfabriken produziert. Andere Prozessorarten wie Mikrocontroller können von weiteren Unternehmen und Fabriken gefertigt werden. Prozessorkerne lassen sich außerdem in CPLD- und besonders in FPGA-Bausteinen emulieren, also durch programmierbare digitale Schaltungen nachbilden.

Mikrocontroller

Die Trennung von Prozessorkern, Speicher beziehungsweise Cache und Peripherie ermöglicht es Herstellern, unterschiedliche Prozessorvarianten mit demselben Kern anzubieten. Dabei werden zusätzliche Komponenten in verschiedenen Zusammenstellungen ergänzt. Solche Prozessoren werden als Mikrocontroller bezeichnet und in der Embedded-Entwicklung eingesetzt, also bei Computersystemen, die in Geräte eingebettet sind.

Mikrocontroller besitzen typischerweise direkt auf dem Chip integrierte RAM- und ROM-Speicher. Zur Peripherie rund um den Prozessorkern können On-Chip-Timer, ein Watchdog zur Überwachung des Systems, serielle Schnittstellen, ein I²C-Bus, ein CAN-Bus oder ein A/D-Wandler zur Umwandlung analoger Signale in digitale Werte gehören. Möglich sind außerdem Funkmodule für RF/HF-Verbindungen, beispielsweise Bluetooth Low Energy (BLE) oder Wi-Fi, sowie weitere Bausteine.