Was ist eine CPU?
Eine CPU (Central Processing Unit) ist die zentrale Recheneinheit oder der Hauptprozessor eines Computers oder eines computerähnlichen Geräts. Sie ist für die Ausführung von Befehlen, die Berechnung von Daten und die Steuerung der Funktionen eines Geräts verantwortlich. Die CPU ist meist als integrierte Schaltung in Form eines Mikroprozessors oder eines Mikrocontrollers realisiert .
Wie funktioniert eine CPU?
Eine CPU besteht aus mehreren funktionalen Einheiten, die zusammenarbeiten, um Befehle auszuführen. Die wichtigsten Einheiten sind:
- Das Steuerwerk (engl. control unit), das die Befehle aus dem Speicher liest, interpretiert und in Steuersignale für die anderen Einheiten umwandelt.
- Das Rechenwerk (engl. arithmetic logic unit, ALU), das arithmetische und logische Operationen auf den Daten durchführt.
- Die Register, die kleine Speicherzellen sind, die Daten oder Adressen für die schnelle Verarbeitung bereithalten.
- Die Datenleitungen (engl. data bus), die den Datenaustausch zwischen der CPU und dem Speicher oder anderen Geräten ermöglichen.
- Der Cache, der einen schnellen Zwischenspeicher für häufig verwendete Daten oder Befehle darstellt.
- Die MMU (engl. memory management unit), die den Zugriff auf den Arbeitsspeicher verwaltet und virtuelle Adressen in physische Adressen übersetzt.
Wie verarbeitet eine CPU einen Befehl?
Die Verarbeitung eines Befehls durch eine CPU erfolgt in mehreren Schritten, die je nach Architektur der CPU variieren können. Ein typischer Ablauf ist:
- 1. Das Steuerwerk liest den nächsten Befehl aus dem Speicher oder dem Cache und dekodiert ihn in seine Bestandteile.
- 2. Das Steuerwerk ermittelt die benötigten Daten oder Adressen aus den Registern oder dem Speicher und sendet sie über die Datenleitungen an das Rechenwerk.
- 3. Das Rechenwerk führt die Operation aus, die der Befehl vorgibt, und speichert das Ergebnis in einem Register oder im Speicher.
- 4. Das Steuerwerk aktualisiert den Programmzähler, der auf den nächsten auszuführenden Befehl zeigt, und wiederholt den Vorgang.
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für einen einfachen Befehl, der zwei Zahlen addiert und das Ergebnis in einem Register speichert:
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Prozessor#/media/Datei:CPU_simple.svg
Was sind die Leistungsmerkmale einer CPU?
Die Leistungsfähigkeit einer CPU hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel:
- Die Wortbreite, die angibt, wie viele Bits eine CPU gleichzeitig verarbeiten kann. Je größer die Wortbreite, desto mehr Daten können pro Operation verarbeitet werden.
- Der Prozessortakt, der angibt, wie viele Operationen eine CPU pro Sekunde ausführen kann. Je höher der Prozessortakt, desto schneller ist die CPU.
- Die Anzahl der Kerne, die angibt, wie viele unabhängige Recheneinheiten eine CPU besitzt. Je mehr Kerne, desto mehr Befehle können parallel ausgeführt werden.
- Die Architektur, die angibt, wie die CPU intern aufgebaut ist und wie sie mit dem Speicher und anderen Geräten kommuniziert. Je nach Architektur können verschiedene Befehlssätze, Adressierungsarten und Optimierungen verwendet werden.
Einige Beispiele für verschiedene CPUs und ihre Leistungsmerkmale sind:
- Der Intel Core i9-11900K hat eine Wortbreite von 64 Bit, einen Prozessortakt von 3,5 GHz (bis zu 5,3 GHz), acht Kerne und eine x86-64 Architektur.
- Der AMD Ryzen 9 5950X hat eine Wortbreite von 64 Bit, einen Prozessortakt von 3,4 GHz (bis zu 4,9 GHz), 16 Kerne und eine x86-64 Architektur.
- Der Apple M1 hat eine Wortbreite von 64 Bit, einen Prozessortakt von 3,2 GHz, acht Kerne (vier leistungsstarke und vier stromsparende) und eine ARMv8.4-A Architektur.
- Der IBM POWER10 hat eine Wortbreite von 64 Bit, einen Prozessortakt von bis zu 4 GHz, bis zu 15 Kerne und eine POWER ISA v3.1 Architektur.
Quellen:
https://www.heise.de/tipps-tricks/Was-ist-ein-Prozessor-4933409.html
https://www.giga.de/extra/cpu/specials/was-ist-eine-cpu-beim-pc-was-macht-der-prozessor/
https://de.wikipedia.org/wiki/Prozessor
https://www.computerbild.de/artikel/cb-Tipps-PC-Hardware-Prozessor-Funktion-des-Rechenwerks-31468645.html
