Mikroprozessor

Ein Mikroprocessor ist eine integrierte Schaltung, die alle notwendigen Logikschaltungen für den Fetch-Decode-Execute-Zyklus enthält, die Grundoperation jedes Computers. Während frühe Computer raumgroße Schränke mit diskreten Transistoren und Logikgattern brauchten, packt ein Mikroprocessor Millionen oder Milliarden Transistoren auf ein Siliziumstück, das typischerweise 10 bis 25 Millimeter pro Seite misst. Er ist das aktive Rechenzentrum jeder modernen Maschine, von Industriereglern über Fabrikautomation bis zur Prüftechnik.

Der Kern jedes Mikroprocessors ist die Arithmetic Logic Unit (ALU), die mathematische und logische Operationen ausführt. Darum herum befinden sich Steuerschaltungen, die Befehle aus dem Speicher interpretieren, Register, die während der Berechnung Zwischenwerte halten, und Cache-Speicher, der den Zugriff auf häufig genutzte Daten beschleunigt. Ein Taktsignal im Gigahertz-Bereich synchronisiert alle Komponenten. Industrielle Mikroprocessoren priorisieren oft Zuverlässigkeit und Temperaturtoleranz vor reiner Geschwindigkeit; sie arbeiten über breitere Spannungs- und Temperaturbereiche als Consumer-Chips und werden für lange Produktlebenszyklen ausgewählt.

Varianten und Anwendungsbereiche

Mikroprocessor-Familien unterscheiden sich nach Befehlssatzarchitektur (ISA), Wortbreite und Einsatzzweck. Ein x86- oder x64-Prozessor treibt Industrie-PCs und größere Automatisierungsregler an. ARM-Prozessoren dominieren eingebettete Systeme und an Maschinen angebrachte Geräte, da sie weniger Energie verbrauchen. Spezialisierte Industrievarianten von Herstellern wie Renesas, Intel und Freescale umfassen gehärtete Versionen, die gegen elektromagnetische Störungen resistent sind, und Modelle für erweiterte Temperaturbereiche, die bis 125 °C und darüber hinaus ausgelegt sind. Echtzeitverhalten ist wichtig in der Prozessregelung; einige Mikroprocessoren verfügen über dedizierte Interrupt-Verarbeitung und vorhersagbare Befehlstaktzeiten.

Fehler bei der Mikroprocessor-Auswahl führen zu schlechtem Regelverhalten oder völligen Systemabstürzen. Ein Prozessor, der für Spitzengeschwindigkeit statt Stabilität ausgewählt wird, kann unter Last im Dauerbetrieb thermisch drosseln, wenn das Gehäuse keine ausreichende Belüftung hat. Umgekehrt verursacht ein unterdimensionierter Prozessor Engpässe bei der Datenerfassung und in Regelschleifen, was zu Verzögerungen bei sicherheitskritischen Anwendungen führt. Industriespezifikationen nennen daher nicht nur Taktfrequenz, sondern auch Thermal Design Power (TDP), maximale Sperrschichttemperatur, mittlere Ausfallzeit (MTBF) und Unterstützung für Echtzeit-Betriebssysteme.

Der Begriff Mikroprocessor entstand Anfang der 1970er Jahre, um diese Single-Chip-CPUs von früheren Minicomputern und von spezialisierteren Logikschaltungen zu unterscheiden. Der Name blieb erhalten, auch als Moores Gesetz die Transistorzahl von Tausenden auf Milliarden trieb. In industriellen Umgebungen bezieht sich "Mikroprocessor" typischerweise auf Allzweck-Prozessoren in größeren Geräten, im Gegensatz zu Mikrocontrollern (die Prozessor, Speicher und Ein-Ausgang auf einem Chip für spezialisierte Aufgaben integrieren) oder GPUs (die Berechnung für Durchsatz parallelisieren).