Allgemeine Struktur eines Mikrorechners

Mikroprozessoren, diese kleinen Wunder der Technik, basieren auf der Mikroelektronik und der digitalen Rechentechnik. Warum gerade auf diesen beiden Komponenten?

Ende der fünfziger Jahre wurde die Silizium-Planartechnologie als elementares technologisches ­Instrumentarium der Mikroelektronik geboren. Die nötigen technologischen Schritte zum Herstellen elektronischer Bauelemente wie Dioden, Transistoren usw. wirken hier ausnahmslos senkrecht auf die Oberfläche einer Siliziumscheibe. Fotomasken bestimmen die räumliche Ausdehnung jeder Einwirkung. Auch das Verbinden verschiedener Zonen im Siliziumkristall, gewissermaßen das Verdrahten der Schaltung, (z. B. durch aufgedampftes Aluminium) erfolgt in gleicher Weise. damit waren alle Voraussetzungen gegeben, nicht nur wie bisher einzelne Bauelemente, sondern komplette Schaltungen, nun im Siliziumkristall, zu integrieren.
Die Folge war später die bekannte TTL-Schaltkreisfamilie (Transistor-Transistor-Logik) mit digitalen Grundschaltungen vom sogenannten einfachen NAND-Gatter bis zu Zählern, Schieberegistern, Speichern und Addierern. Mit wachsenden technologischen Möglichkeiten konnte man dann immer umfangreichere, komplexere Schaltungen realisieren. Dabei zeigte sich aber, dass mit steigender Komplexität das Anwendungsgebiet immer enger, die Produktion dagegen erst mit hohen Stückzahlen rentabel wird. In der analogen Schaltungstechnik integrierte man zwar fortwährend komplexere Funktionen von Rundfunk- und Fernsehempfängern in Schaltkreise und fertige universell einsetzbare Operationsverstärker. Die digitale Schaltungstechnik erlaubt jedoch (wegen der Unabhängigkeit von Parameterschwankungen) weit mehr Transistorfunktionen je Schaltkreis, als die analogen überhaupt benötigt. Die vielen Funktionen ließen sich in diesem fall zu Logikschaltungen verknüpfen. es entstünden sehr spezielle Schaltkreise mit stark eingegrenzten Anwendungsmöglichkeiten. Ausreichender Absatz wäre kaum gesichert. den Ausweg bietet eine Digitalschaltung, deren spezielle Funktion nicht schon der Hersteller, sondern erst der Anwender bestimmt. Und gerade diese Eigenschaft besitzen Digitalrechner.
Die Gerätetechnik (Hardware) solcher Rechner erlaubt verschiedene elementare logische Operationen, die der Anwender mit einem Programm (Software) beliebig miteinander verknüpfen bzw. aneinander reihen kann. Damit lassen sich verschiedenste Aufgaben lösen. Das Problem besteht nun nicht mehr im Schaltungsentwurf (den erledigt  der Schaltkreishersteller), sondern auch und vor allem in der Programmentwicklung.

Die erste Leistungsklasse

Der Siegeszug der Mikroprozessoren begann 1970 mit dem Typ 4004 der Firma Intel. Mit einer Verarbeitungsbreite von nur vier Bit reicht seine Informationsverarbeitungsleistung nicht aus, um alternativen Lösungen ernsthaft Konkurrenz zu machen. Deshalb kommt diesem ersten Einchip-Mikroprozessor im Grunde nur historischer Wert zu. er wies wohl die Funktionsfähigkeit mikroelektronisch realisierter Digitalprozessoren nach, ließ aber nur vereinzelt aufhorchen.
Bereits ein Jahr später offerierte die gleiche Firma den Typ 8008, der acht Bit parallel verarbeitet und die erste Leistungsklasse bestimmt. Seine weltweite Verbreitung hatte, gemessen an der Tragweite der Mikroprozessortechnik, ein erstaunlich geringes Tempo. Den Rechentechnikern erschien die Leistungsfähigkeit im Vergleich zur klassischen EDV viel zu gering, während den Automatisierungs- und Nachrichtentechnikern das rechentechnische Wirkungsprinzip noch sehr fern lag.
Trotzdem wurde er mit der Zeit in vielen Ländern gefertigt, in der DDR als U 808D. Als Kernstück der Mikrorechner ZE1 und K 1510 findet es zwar nicht mehr in Neuentwicklungen Verwendung, leistet aber noch vielerorts treu seine Dienste. Für jedermann ersichtliche Beispiele seiner Nützlichkeit bietet die deutsche Reichsbahn mit dem rechnergestützten Fahrkartenverkauf an ihren Schaltern sowie mit ihren Dialogautomaten.
Das Niveau der ersten Leistungsklasse kennzeichnen neben dem Mikroprozessor integrierte Halbleiterspeicher, die den Aufbau der Rechner-Zentraleinheit mit wenig Aufwand gestatten. Die Anschlusssteuerung zum Koppeln peripherer Geräte wie Bildschirm, Tastatur, Drucker usw. wurde jedoch wie in anderen elektronischen Digitalrechnern mit herkömmlichen diskreten Logikschaltungen ausgeführt und ist somit ebenso aufwendig. Dennoch können sich die Mikrorechner der ersten Leistungsklasse im Preis-Leistungsverhältnis mit klassischen EDV-Anlagen messen.

Die zweite Leistungsklasse

Der Vorsatz „Mikro“ bezieht sich in der ersten Leistungsklasse zweifellos auch auf die Verarbeitungsleistung. Mit Hilfe weiterentwickelter Technologien verringern die Mikroprozessoren der zweiten Leistungsklasse dieses Manko. Es bleibt zwar bei der 8-Bit-Verarbeitungsbreite, aber die Geschwindigkeit steigt. Das addieren zweier 16-Bit-Zahlen dauert nur noch vier statt 120 Mikrosekunden.
Japan hatte 1973 noch nicht das heute zu verzeichnende Gewicht in der Elektronik-Branche. Trotzdem kann man ohne weiteres einem Japaner die entscheidenden Schrittmacherleistungen in Sachen Mikroprozessortechnik zuschreiben: Masatoshi Shima. Schon an den Prozessoren 4004 und 8008 beteiligt, kreiert er 1973 mit der Firma Intel den Mikroprozessor 8080. Drei Jahre später bringt er mit der Firma Zilog den heutzutage am meisten verwendeten Prozessor Z 80 auf den Markt. Auch an der weiteren Entwicklung hat er maßgeblichen Anteil.
Als stärkster der zweiten Leistungsklasse  bildet in der DDR der zum Z 80 pinkompatible, also anschlussverträgliche U 880D die Grundlage des Mikrorechnersystems K 1520. Das Aufbauen auf dem Zilog-Prozessor ist keineswegs als Mangel an eigenen Ideen zu deuten. Immerhin gehört die DDR zu den wenigen Ländern, die eigenständig Mikroprozessorsysteme entwickelt haben (U 830 bis U 834). Mit der Orientierung auf den Z 80 aber wie in fast allen Industrieländern die mit dem 8080 entstandenen Programme und Einsatzerfahrungen sowie die weltweit ständig expandierenden Applikationen des Z 80 nachnutzbar. Diese Verfahrensweise gestattet am effektivsten das schnelle Umsetzen neuer Technik in wirtschaftlichen Nutzen.
Kennzeichnend für die zweite Leistungsklasse sind zugehörige Halbleiterspeicher mit höherer Kapazität (Fassungsvermögen) und schnellerem Zugriff sowie Peripherieschaltkreise die den gerätetechnischen Aufwand zum Ankoppeln peripherer Geräte stark verringern.
Der Prozessor ist schnell genug, um Magnetband- und Magnetplattenspeicher (Disketten) schritthaltend bedienen zu können. und erlaubt vielfältigen Einsatz bei Automatisierungslösungen. In der Kleinrechentechnik (mittlere Datentechnik) verdrängt er zum Teil bereits klassische EDV-Anlagen.

Die dritte Leistungsklasse

Die ständige Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie erlaubt die Integration von immer mehr Transistorfunktionen in einem Schaltkreis. Bereits im Jahr 1978 eröffnet die Firma Intel die Generation der 16-Bit-Mikroprozessoren mit dem Typ 8086. Fast 30000 Transistoren in einem Schaltkreis sind die gerätetechnische Grundlage einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), die klassischen Kleinrechnern nicht mehr nachsteht. Masatoshi Shima kreiert zwei Jahre später den Prozessor Z 8001 mit nur 17500 Transistoren, aber überlegener Leistungsfähigkeit. Der grundlegende Unterschied besteht in der Befehlsdekodierung mit einer ausgefuchsten Logikschaltung anstelle der aufwendigen internen Mikroprogrammsteuerung des Intel-Prozessors.
Als dritter im Bunde kommt der Typ 68000 der Firma Motorola auf den Markt (70000 Transistoren). Die Fortschritte gegenüber der zweiten Leistungsklasse sind nicht nur in der höheren Verarbeitungsbreite und der überlegenen Rechenleistung zu suchen. Hinzu kommt eine höhere Qualität der Speicherverwaltung (segmentierte Adressierung und Speicherorganisationsschaltkreise) und der Ankopplung von peripheren Geräten, zum Beispiel für Ein- und Ausgabe. Die Peripherieschaltkreise verwalten nun eigenständig den Datenaustausch mit externen Geräten. Sie besitzen einen eigenen Pufferspeicher, um beispielsweise unterschiedliche Verarbeitungsgeschwindigkeiten ausgleichen zu können. Die Informationsübertragung vom und zum Mikroprozessor bzw. dem angeschlossenen Speicher organisieren sie bei minimaler Belastung der Rechenkapazität des Prozessors. Der 16-Bit-Prozessor steht somit vor allem zur eigentlichen Problemlösung bereit. Ausgefeilte Rechnerarchitekturen erlauben außerdem eine geringere Anzahl von Befehlen für Datentransporte und die Organisation des Programmablaufs. Sie gestatten das Verwalten der erheblich gesteigerten Rechenleistung mit Methoden der Großrechner-Betriebssysteme und die hocheffektive Mehrrechnerkopplung.
Das technologische Niveau der dritten Leistungsklasse erlaubte aber auch eine weitere, neue Richtung in der Mikroprozessortechnik. indem die zusätzlichen Transistorfunktionen nicht der zentralen Verarbeitungseinheit zugeschlagen, sondern für weitere Bestandteile des Rechners (Speicher, Ein-/Ausgabe-Baugruppe) verwendet werden, entsteht ein kompletter Mikrorechner in einem Schaltkreis. Obwohl hier zwar im Grunde die Rechenleistung der zweiten Leistungsklasse zu verzeichnen ist, erweitert der extrem geringe gerätetechnische Aufwand das Anwendungsgebiet erheblich. Es schließt zum Beispiel die Automatisierung von Haushaltgeräten und mobilen Aggregaten ein.

Ausblick

Derzeit sind die 8-Bit-Mikroprozessoren der zweiten Leistungsklasse weltweit verbreitet. Sie werden in Automatisierungsgräten und -anlagen, Messgeräten, Rechnern für Lehrzwecke und Hobbybedarf sowie Bürocomputern eingesetzt. Zunehmend hält die dritte Leistungsklasse Einzug, wobei der 8086 mit seiner 8-Bit-Bus-Variante wegen der Kompatibilität zu bestehenden Systemen die größten Fortschritte macht. In der Automatisierungstechnik erschließt insbesondere der Einchiprechner stark immer weitere Einsatzgebiete. Industrieroboter werden bisher vorwiegend von Mikroprozessoren der zweiten Leistungsklasse gesteuert, die Bildverarbeitung erfordert jedoch höhere Rechenleistungen.
Künftig kommt es zu einer Aufwertung  der bewährten Typen durch Varianten mit höherer Taktfrequenz. Außerdem entstehen immer leistungsfähigere Typen mit wachsenden Integrationsgraden. Spitzenprodukte enthalten bereits etwa 500 000 Transistoren, bei Speicherschaltkreisen über 1 000 000.

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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