Theorie:
Die CPU (Central Processing Unit, Hauptprozessor, Zentraleinheit) ist das Gehirn des Computers.
Die wichtigsten Bestandteile der CPU sind:
- Register
- Steuerwerk
- Rechenwerk (Arithmetic Logical Unit)
- Cache-Speicher
- Taktgeber
- Bussystem
Register:
Als sehr schnelle prozessorientierte Speicher stellen sie extrem schnelle Verbindungen zu anderen
Prozessorteilen bereit. Nur Daten, die in Registern stehen, können direkt abgearbeitet werden.
Das Steuerwerk ist die Verwaltungseinheit der CPU. Es holt, interpretiert und koordiniert die einzelnen Befehle und führt diese aus. Aus dem Arbeitsspeicher werden die einzelnen Befehle in den internen Speicher (die Register) ausgelesen. Der Weg der Ströme zwischen den einzelnen Bestandteilen führt über den Steuerbus.
Rechenwerk:
Die Befehle an das Rechenwerk kommen direkt vom Steuerwerk, die Daten kommen aus dem Arbeitsspeicher und werden wieder in Registern abgelegt. Im Rechenwerk werden alle Befehle abgearbeitet. Die Berechnungen, die dort erfolgen, beruhen allein auf der Addition von Binärzahlen. Subtraktionen werden durch negative Additionen, Division und Multiplikation durch zusammengesetzte Additionen bzw. Subtraktionen durchgeführt.
Cache-Speicher:
Durch die Tatsache, dass Prozessor und Arbeitsspeicher beim Datenaustausch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten, entsteht ein Flaschenhals. Der Prozessor möchte gerne arbeiten, er wäre viel schneller, der Arbeitsspeicher kann die Daten aber nicht so schnell bereitstellen. Der Cache stellt einen Pufferspeicher zwischen diesen beiden dar, auf dem Inhalte, die schon einmal vorlagen, als Kopien vorhanden sind, damit sie im Bedarfsfall schnell wieder zur Verfügung stehen.
Taktgeber:
Im Computer werden Daten als elektrischer Strom über den Bus transportiert. Die einzelnen Stromimpulse werden vom Taktgeber initiiert. Der Taktgeber besteht aus einem Quarz, der durch elektrischen Strom in Schwingung versetzt wird. Je höher der Takt, umso schneller geht der Transport vonstatten. Gemessen wird der Takt (die Taktfrequenz) in Hertz. \(1\) Hertz (1Hz) entspricht einer Schwingung pro Sekunde. Moderne CPUs erreichen einen Takt von über \(3\) GHz (\(3\) Mrd. Takte pro Sekunde)
Bussystem:
Alle Teile der CPU sind durch ein Leitungssystem, das sogenannte Bussystem, miteinander verbunden. Das Bussystem besteht aus aus folgenden Leitungen:- Steuerbus : übertragt Steuersignale zwischen Steuerwerk und anderen Bestandteilen.
- Datenbus : ist für den Transport von Daten zwischen Arbeitsspeicher, Rechenwerk und Ein-/Ausgabeeinheit zuständig.
- Adressbus : übertragt Speicheradressen an den Arbeitsspeicher
Wichtige Datenbusse sind zum Beispiel:
PCI-Express: max. \(1,25\) GHz, 32-Bit-Datenbus max. \(250\) MByte/s. Die Durchsatzleistung wird durch Zusammenfassen mehrerer Leitungen auf \(4\) GByte/s erhöht (16 Leitungen).
AGP: \(66\) MHz, 32-Bit-Adressbus/Datenbus; max. \(266\) MByte/s. (AGPx8: max. 2,1 GByte/s)
PCI: \(33/66\) MHz, 32- bzw. 64-Bit-Adressbus/Datenbus; max. \(468\) MByte/s.
Die Leistung des Prozessors ist maßgeblich von seiner Taktfrequenz und von der Anzahl der verfügbaren Transistoren abhängig. Die Taktfrequenz (Taktrate) gibt an, wie viele Zyklen pro Sekunde von der CPU verarbeitet werden können. Es gilt: je höher die Taktrate, desto schneller die Abarbeitung eines bestimmten Befehls. Die Taktrate ist jedoch nach oben begrenzt. Je höher der Takt, desto mehr Wärme entsteht. Sowohl die Anzahl der Transistoren in einem Prozessor als auch die mögliche maximale Taktrate sind seit der Entwicklung des ersten Prozessors stetig stark gestiegen.
Heute wird wegen der hohen Verlustleistungen in Form von Abwärme und wegen des hohen Stromverbrauchs zunehmend davon abgegangen, die Taktraten noch weiter zu steigern. Stattdessen werden Mehrkern-CPUs eingesetzt, welche die Geschwindigkeit durch parallele Verarbeitung der Daten weiter steigern können (Dual-Core, Quad-Core, etc.). Die Abwärme ist auch der Grund, warum die CPU ständig gekühlt werden muss. Diese Arbeit übernimmt meist ein eigener kleiner Ventilator, der direkt vom Motherboard aus gesteuert wird. Eine gute Kühlung ist unerlässlich, da Prozessoren sonst sehr schnell überhitzen und damit unbrauchbar werden.
Quellen:
https://pixabay.com/en/cpu-processor-macro-pen-pin-564771/, 27.07.2016
Christian Assam: INFORMATIK Lehrbrief. Wien: Dr. Roland GmbH, 2015, Auflage: 12/2015. S. 22, 27.07.2016