Wie funktioniert eigentlich eine CPU? Wir erklären es Ihnen

Der Hauptprozessor, die sogenannte CPU („Central Processing Unit“), ist das Herzstück eines jeden Computersystems. Sie ist insbesondere dafür verantwortlich, Eingaben und Befehle des Anwenders zu erkennen und daraufhin entsprechend in Instruktionen umzusetzen und auszuführen, die jeder Computer benötigt, um ordnungsgemäß zu arbeiten.

Die CPU besteht dabei aus gleich mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um die entsprechenden Aufgaben zu erfüllen. In diesem Feature werden wir die Funktionen der CPU ausführlich erläutern und entsprechendes Computerwissen vermitteln.

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Befehle ausführen

Die CPU führt alle Anweisungen aus, die ein Computerprogramm benötigt, um zu laufen. Diese Anweisungen werden als Befehle bezeichnet und können etwa sein:

• Rechnen
• Vergleichen
• Speichern von Daten
• Laden von Daten

Die CPU liest diese Befehle aus dem Arbeitsspeicher und führt sie entsprechend der Eingabe des Anwenders aus. Jedes Programm, das auf einem Computersystem ausgeführt wird, besteht aus einer Folge von Anweisungen oder Befehlen, welche der CPU sagen, was sie als Nächstes zu tun hat. CPU und RAM arbeiten hier eng zusammen.

Diese Befehle werden in Form von Maschinencode geschrieben, der aus einer Reihe von Nullen und Einsen besteht, die von der CPU gelesen und entsprechend interpretiert werden können.

Der Prozessor ist dabei so konzipiert, dass er die Befehle aus dem Arbeitsspeicher sequenziell ausliest und interpretiert. Er führt dann die entsprechenden Aktionen („Tasks“) aus, die von jedem Befehl verlangt werden. Beispielsweise könnte eine Anforderung eine arithmetische Operation wie Addition oder Subtraktion erfordern, während ein anderer Befehl den Inhalt eines Registers in den Arbeitsspeicher schreibt und somit für spätere Operationen hinterlegt.

Sobald die CPU einen Befehl ausgeführt und abgeschlossen hat, geht sie zum nächsten Befehl über und führt ihn aus. Dieser Prozess wird als Befehlszyklus bezeichnet. Dieser Befehlszyklus, den jede CPU egal welches Typs nutzt, besteht aus insgesamt vier Schritten:

• FETCH
  • Befehlsabruf
    • Aus dem Speicher wird der nächste zu bearbeitende Befehl entsprechend der Adresse im Befehlszähler in das Befehlsregister geladen und der Befehlszähler wird um die Länge des Befehls erhöht.
• DECODE
  • Dekodierung
    • Der Befehl wird dekodiert und durch die Schaltinstruktionen entsprechend aufgelöst.
• EXECUTE
  • Befehlsausführung
    • Eine arithmetische oder logische Operation wird von der CPU ausgeführt.
• WRITE BACK
  • Rückschreiben des Resultats
    • Sofern notwendig, wird das Ergebnis der Berechnung von der CPU in den Speicher zurückgeschrieben.

Dieser Befehlszyklus, der in Teilprozessen dem Von-Neumann-Zyklus für technische Informatik folgt, wiederholt sich so lange, bis das jeweilige Programm abgeschlossen ist oder bis es von einem sogenannten Interrupt unterbrochen wird.

Durch die sequenzielle Ausführung von Befehlen ist die CPU in der Lage, auch die komplexesten Aufgabenstellungen auszuführen, welche für die Funktionsweise eines modernen Computersystems unerlässlich sind. Heutige PCs können so problemlos 2.000 arithmetische Befehle und mehr parallel ausführen.

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Berechnungen durchführen

Die CPU ist in der Lage, eine Vielzahl von Berechnungen durchzuführen, einschließlich der arithmetischen Operationen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division. Weiterhin kann der Hauptprozessor auch komplexere mathematische Funktionen berechnen, wie Trigonometrie oder logarithmische Funktionen.

Die Berechnung dieser Funktionen erfordert eine Reihe von Schritten, die von der CPU ausgeführt werden müssen. Zunächst muss die CPU die notwendigen Daten aus dem Arbeitsspeicher laden und sie in internen Registern ablegen und speichern.

Anschließend wird eine Reihe von Operationen durchgeführt, um die gewünschte Funktion zu berechnen. Schließlich wird das Ergebnis zurück in den Arbeitsspeicher geschrieben.

Speicherzugriffe

Der Prozessor hat darüber hinaus auch direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher des Computersystems. Der Arbeitsspeicher enthält die Daten, auf welche die CPU während der Ausführung von Befehlszyklen und Programmen zugreift. Die CPU kann Daten aus dem Arbeitsspeicher lesen oder in den Arbeitsspeicher schreiben und später bei Bedarf wieder darauf zugreifen.

Wenn ein Programm ausgeführt wird, werden die benötigten Daten in den Arbeitsspeicher geladen. Die CPU liest dann diese Daten aus dem Arbeitsspeicher und führt die entsprechenden Befehle aus.

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Wenn die CPU die entsprechenden Daten in den Arbeitsspeicher schreiben muss, wird der Arbeitsspeicher aktualisiert. Die CPU schreibt die Daten in den Speicher und der Arbeitsspeicher aktualisiert seine Speicherzellen. Diese Daten werden dann im Arbeitsspeicher gespeichert, bis sie wieder benötigt werden.

Steuerung von Ein- und Ausgaben

Die CPU steuert auch die Ein- und Ausgabe von Daten. Wenn ein Anwender etwa neue Daten mit einer Tastatur eingibt oder Optionen mit einer Maus auswählt, erfasst die CPU diese Daten in Form von Befehlen und leitet diese an das jeweilige Programm weiter. Wenn das Programm Daten auf einen Drucker ausgeben möchte, leitet die CPU diese Daten an den Drucker weiter.

Taktfrequenz

Die CPU respektive deren Geschwindigkeit wird durch eine Taktrate oder Taktfrequenz gesteuert, die angibt, wie viele Operationen pro Sekunde („OPS“) ausgeführt werden können.

Je höher die Taktrate eines Prozessors ausfällt, desto schneller kann die CPU arbeiten. Moderne CPUs können Taktfrequenzen von mehreren Gigahertz erreichen und zudem auf mehrere Prozessorkerne gleichzeitig zurückgreifen.

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Das Gehirn

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die CPU das „Gehirn“ des Computersystems ist und alle wichtigen Aufgaben erledigt, die zur Ausführung von Programmen erforderlich sind. Sie führt Befehle und Befehlszyklen aus, führt Berechnungen durch und greift auf den Arbeitsspeicher zu.

Zudem ist die Ein- und Ausgabe von Daten eine der wichtigsten Funktionen der CPU und ermöglicht so die sogenannte Mensch-Maschine-Interaktion („MMI“).

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