Ratgeber

Knowhow: Smartphone-Prozessoren

In den Datenblättern von Smartphones fallen Schlagworte wie ARM-Prozessor, Dual-Core und Gigahertz. Doch was hat es mit den Recheneinheiten der Phones wirklich auf sich?

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Dual-Core heißt das Zauberwort, das den Nutzer endlich von den langen Wartezeiten bei vergangenen Smartphone-Generationen erlösen soll. Doch was ist eigentlich ein Core, warum sind zwei davon besser als einer, und müssen die neuen Smartphones jetzt zweimal täglich ans Ladegerät, weil es noch keinen doppelten Akku gibt? Fragen über Fragen, die wir im Folgenden beantworten möchten.

Grundsätzliches

Ein Prozessor ist zunächst eine elektronische Schaltung, die mit einem Satz vorgegebener Befehle andere Schaltungen oder Komponenten steuert. Dazu besteht jeder Prozessor zumindest aus dem Rechenwerk, dem Steuerwerk, dem Register und einem (Speicher-)Interface.

Das Rechenwerk wird gerne auch als Arithmetisch-logische Einheit (englisch abgekürzt ALU) bezeichnet, was seine über klassische Rechenfunktionen hinausgehenden Fähigkeiten dokumentiert. Mit Register bezeichnet man eine dem internen Zwischenspeichern von Daten und Befehlen dienende Einheit.

Das Steuerwerk regelt die Ausführung von Befehlen. Es holt sich die jeweils nächste Anweisung übers Interface aus dem Speicher ab, etwa "Addiere", übersetzt sie in für das Rechenwerk verständlichen Code und besorgt die nötigen Operanden, die addiert werden sollen.

Hat das Rechenwerk die Addition ausgeführt, schreibt das Steuerwerk das Ergebnis zurück und springt in der Programmausführung einen Schritt weiter.  Da das Rechenwerk neben den mathematischen Grundrechenarten auch logische Funktionen (Boolesche Algebra), Verzweigungen und Schleifen bearbeiten kann, lässt es sich für praktisch beliebige Aufgaben einsetzen.

Von PCs und Smartphones

Doch damit ein Prozessor uns das Smartphone mit all den gewünschten Funktionen beschert, braucht er Programme. Und die muss er verstehen. Was beim Menschen die Sprache ist, ist beim Prozessor der Befehlssatz, der durch eine bestimmte, sogenannte Architektur interpretiert werden kann.

Bei PCs ist in diesem Zusammenhang immer wieder von der x86-Architektur die Rede. Die führte Intel 1978 ein, mit nachhaltigem Erfolg: Auch ein Intel-Core-i7-Prozessor des Jahres 2011 mit knapp einer Milliarde Transistoren unddeutlich erweitertem Befehlssatz kennt noch alle Befehle des 33 Jahre alten Intel 8086 mit 29 000 Transistoren.

Bei Smartphones spielt die bei PCs etablierte und auch von AMD unterstützte x86-Architektur bisher keine Rolle. Das liegt wohl auch an der Komplexität, die dieser CPU-Klasse den Namen CISC-Prozessoren (Complex Instruction Set Computer) eingebracht hat.

Bei einem CISC-Prozessor sind einzelne Befehle sehr mächtig, ein Programm benötigt vergleichsweise wenige Schritte. Das kann man sich wie eine Reinigungsfirma vorstellen, die den Befehl erhält, ein Gebäude zu reinigen.

So ein Befehl wird ohne Zweifel hohe Kosten verursachen. Mit vielen kleinen Befehlen könnte man die Firma auch anweisen, die Treppe zu putzen, die Papierkörbe bei Meier, Müller und Schulze zu leeren und im Sekretariat das Fenster zu säubern. Viele kleine Befehle, die bei richtiger Wahl das gleiche Ergebnis bei deutlich geringeren Kosten ergeben.

Die Strategie entspricht dem, was die bei Smartphones üblichen RISC-Prozessoren (Reduced Instruction Set Computer) tun. Bei ihnen löst jeder einzelne Befehl nur eine kleine Aktion aus, doch dafür wird durch keinen Befehl unnötige Arbeit verursacht. Die Programme werden länger, doch die Ausführung wird effektiver. Für Smartphones mit ihren immer zu kleinen Akkus ist das entscheidend.

Oberflächlich verwirrt die Vielfalt an Prozessoren in Smartphones: Von ARM V7, ARM A9, StrongArm, XScale, Tegra oder Snapdragon ist die Rede. Manches Mobiltelefon soll an einer Stelle einen ARM-Prozessor haben, an anderer Stelle aber eine Qualcomm-Snapdragon-CPU.    

Teil 2: Architekturen und Befehlssätze

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