Was ist eine Gleitkommaeinheit?
Eine Gleitkommaeinheit ist ein Funktionsblock eines Computerprozessors, der Gleitkommaarithmetikoperationen ausführt. Eine Gleitkommaeinheit, die auch unter dem Akronym FPU bekannt ist, kann auch ein physikalisch separater Co-Prozessor sein. Eine FPU greift normalerweise über dieselben Adressierungsmodi wie der Rest des Prozessors auf Daten zu und enthält im Allgemeinen ihre eigenen Register. Ein Prozessor verwendet eine FPU, um trigonometrische, logarithmische und grundlegende Gleitkomma-Arithmetikfunktionen zu berechnen. Es verwendet auch eine FPU zum Laden, Speichern und Vergleichen von Zahlen in mehreren Ganzzahl- und Gleitkomma-Datentypen.
Viele Prozessoren enthalten keine Gleitkommaeinheit. Die meisten Mikroprozessoren, die von Intel Corporation und Motorola Incorporated vor den späten 1980er Jahren hergestellt wurden, enthalten beispielsweise keinen. Viele RISC-Prozessoren (Reduced Instruction Set Computing) und Embedded Controller verfügen auch nicht über einen. Diese Chips enthalten eine Arithmetic Logic Unit (ALU), um grundlegende ganzzahlige arithmetische und bitweise Logikfunktionen auszuführen. Die Gleitkomma-Mathematik wird jedoch von einem externen Coprozessor oder einer Softwarebibliothek ausgeführt.
Die meisten Prozessoren und Softwaresysteme implementieren den IEEE-Standard (Institute of Electrical and Electronics Engineers) für Gleitkommaoperationen. Der IEEE-754-Standard wurde erstmals 1985 veröffentlicht und 2008 um zusätzliche Datentypen erweitert. Es definiert mehrere Ganzzahl- und Gleitkomma-Datentypen mit jeweils eigener Genauigkeit, Darstellung und numerischem Bereich. Es definiert auch viele arithmetische Operationen, Methoden zum Runden und Behandeln von Ausnahmen wie eine Division durch Null. Unabhängig davon, ob die Berechnung von einer Gleitkommaeinheit durchgeführt wird oder nicht, garantiert der IEEE-Gleitkomma-Standard identische Ergebnisse.
Neben Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division kann eine Gleitkommaeinheit viele andere Operationen ausführen. Dazu gehören häufig Skalierungs-, Quadratwurzel- und logarithmische Berechnungen. In der Regel werden auch trigonometrische Sinus-, Cosinus- und Partial-Tangens-Funktionen bereitgestellt. Ganzzahl- und Gleitkommazahlen können mit der FPU verglichen und von einer Genauigkeit in eine andere konvertiert werden. Sie können auch in beide Richtungen gerundet und direkt im Hauptspeicher des Prozessors abgelegt werden.
Die FPU eines Grafikprozessors kann häufig wiederholte Funktionen enthalten, die der dreidimensionalen Objektrotation oder -animation gemeinsam sind. Viele Embedded-Controller sind mit Prozessoren ausgestattet, die für die digitale Signalverarbeitung (DSP) optimiert sind. Diese können in Audio- und Kommunikationsanwendungen verwendet werden und FPUs enthalten, die sich beispielsweise für schnelle Fourier-Transformationen (FFTs) eignen. Kryptographieprozessoren enthalten häufig eine FPU für die Hochgeschwindigkeitsberechnung von mathematisch anspruchsvollen Verschlüsselungsalgorithmen. Allgemeine Mehrkernprozessoren können auch eine Gleitkommaeinheit für jeden regulären Prozessorkern enthalten.