CPU

#ausbildung/pruefung #informatik/hardware #informatik/software

Das Herzstück des Computers - führt alle Befehle und Berechnungen aus wie ein sehr schneller digitaler Rechner.

Besteht aus Steuerwerk, Rechenwerk und Speichermanager mit Cache.

Prozessor-Aufbau

Hauptkomponenten:

Steuerwerk - lädt und interpretiert Befehle
Rechenwerk - führt mathematische/logische Operationen aus
Speichermanager - verwaltet Datenaustausch mit RAM

Prozessor-Zyklus

Nächsten Befehl laden → Befehlsregister
Befehlszähler erhöhen & Befehl dekodieren
Benötigte Werte laden
ALU führt Operation aus
Ergebnis → Datenregister und Statusregister

Tip

Alle PC-Aktionen basieren nur auf: Additionen, Wertvergleichen, Laden und Speichern von Daten.

Von-Neumann-Zyklus (Fetch-Decode-Execute-Zyklus)

Die CPU arbeitet vom Start bis zum Herunterfahren immer denselben Zyklus ab:

FETCH             DECODE              FETCH OPERANDS       EXECUTE           WRITE BACK
┌─────────────┐   ┌──────────────┐   ┌──────────────┐   ┌──────────────┐  ┌────────────┐
│ Befehl aus  │─→ │ Steuerwerk   │─→ │ Operanden    │─→ │ Rechenwerk   │─→ │ Ergebnis   │
│ Speicher    │   │ übersetzt    │   │ laden        │   │ führt        │   │ ins        │
│ ins Befehls-│   │ in Anweisungen   │ ins Daten-   │   │ Befehl aus   │   │ Ergebnis-  │
│ register    │   │              │   │ register     │   │              │   │ register   │
└─────────────┘   └──────────────┘   └──────────────┘   └──────────────┘  └────────────┘
     ~1 Takt          ~1 Takt           ~1 Takt           ~1 Takt           ~1 Takt
                                                                                ↓
                                                           ┌────────────────────────────┐
                                                           │ nächster Befehl (zurück zu FETCH)
                                                           └────────────────────────────┘

Idealfall: 1 Taktzyklus pro Schritt.
Praktisch: Verzögerung droht, wenn Daten aus dem langsamen Speicher geladen werden müssen (von-Neumann-Flaschenhals).
Taktrate (Taktfrequenz): gemessen in Hertz; typisch 2–5 GHz. Ein Taktzyklus dauert dann z.B. bei 2 GHz: 1/(2×10⁹) = 0,5 ns.

Befehlssatz: RISC vs. CISC

Man unterscheidet die Maschinensprache (für den Programmierer sichtbarer Befehlssatz) von den internen Mikrobefehlen (entsprechen den Schaltkreisen).

	RISC (Reduced Instruction Set)	CISC (Complex Instruction Set)
Befehle	wenige, einfach (direkt Schaltkreise)	viele, komplexe
Mikrobefehle	nicht nötig (1 Takt/Befehl)	komplexe Befehle = viele Mikrobefehle
Beispiele	ARM (Smartphones, Supercomputer)	Intel x86 (Kompatibilität zu Vorgängern)
Vorteil	schnell, simpel	eine Anweisung ersetzt viele RISC-Befehle
Nachteil	Programm braucht mehr Befehle	langsamer pro Befehl

Moderne CISC-Prozessoren sind ein Hybrid: häufige Befehle direkt (1 Takt), seltene via Mikrobefehle.

Rechenwerk und Steuerwerk

Komponente	Aufgabe
Rechenwerk (ALU = Arithmetic Logic Unit)	führt Berechnungen & logische Verknüpfungen aus (die eigentlichen Schaltkreise aus Logik & Schaltkreise)
Steuerwerk	Ablaufsteuerung: welcher Befehl kommt nächsten, wo liegt er im RAM, welcher Schaltkreis wird aktiviert
Register	winzige Speicherzellen in der CPU; Werte müssen erst hier rein, bevor gerechnet wird. z.B. Programmzähler (PC), Stack Pointer (SP), Programmstatuswort (PSW)