4310: CPU de Centrale verwerkingseenheid

De "Centrale verwerkingseenheid" of "CPU" (Central Processing Unit) is het hart van elk computersysteem. In de 60'er jaren werd zo'n "processor" gebouwd op meerdere printkaarten met honderden transistoren. De eerste "microprocessor", een "CPU-op-één-chip", was Intel's 4-bits "4004" (2300 transistors op 740 kHz). Hij werd in 1971 op de markt gebracht, al snel opgevolgd door de 8-bits "8008" en in 1974 door de eveneens 8-bits "8080" (4500 transistors op 2 Mhz). In 2019 zijn de top processors 64-bit, bevatten tot 18 kernen (complete CPU's op dezelfde chip of module) en meer dan 1 miljard transistoren op 4 Ghz, maar de werking is globaal gelijk gebleven.

Werking van een CPU

De "Instructie-teller" is een register (interne opslag-locatie) van evenveel bits als de "Adres-bus" waarop de CPU is aangesloten. Het bevat het adres van een uit te voeren instructie. De CPU kopieert dit adres naar de Adres-buffer die de interface vormt met de Adres-bus (de interne transistoren mogen niet belast worden met de bedrading buiten de chip). Ergens buiten de CPU bevind zich op de Adres-bus één geheugenelement dat reageert op dit adres met de gezochte instructie op de "Data-bus". Via de "Data-buffer" wordt deze opgeslagen in een register van de "Instructie-decoder", vertaald en uitgevoerd b.v. door de "Rekeneenheid". Veel instructies maken gebruik van de interne "Data-registers", zodat b.v. "A=B+C" intern kan worden uitgevoerd, maar ook kunnen deze 3 "variabelen" ergens uit het externe geheugen worden geladen of weggeschreven met andere instructies. Normaal zal de Instructie-teller zich automatisch incrementeren zodat de volgende instructie kan worden opgehaald. Data-registers hebben in beginsel dezelfde bit-lengte als de Data-bus, maar kunnen ook als factoren 2 groter of kleiner worden behandeld.

Instructieset van een CPU

De "Instructieset" is de verzameling van mogelijke instructies van een bepaald model CPU. De eerste CPU's hadden maar weinig verschillende instructies, maar naar mate de mogelijkheden van de halfgeleiders toenamen, werd het aantal steeds groter. Sommige instructies zijn zo complex dat ze in "microcode" (zeer kleine routines binnen de CPU) moeten worden uitgevoerd. Dit maakt dat deze instructies relatief veel klok-cycli nodig hebben.
Als reactie hierop werd de "RISC-architectuur" ontwikkeld en ging men de andere "CISC-architectuur" noemen (Reduced/Complex InstructionSet Computer). RISC-cpu's hebben veel minder verschillende instructies, maar alle verwerkingscapaciteit wordt aan de veel gebruikte eenvoudige instructies toegekend. Beide methoden hebben voors en tegens: de PC's en MAC's (tot 2021) draaien op CISC-processors, de meeste tablet's, smartphones en nieuwe MAC's op RISC.