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Prozessor

Der (Haupt-)Prozessor, auch bezeichnet als „CPU“ (engl.: central processing unit = zentrale Prozessoreinheit) bildet das Herzstück eines Hardwaresystems. Sie steuert & berechnet alle relevanten Vorgänge, Anfragen, sowie Ein- & Ausgabe des Computersystems. Daher ist diese Komponente zwingend notwendig, um ein Hardwaresystem betreiben zu können.

Die Rechenoperationen werden in Takten umgesetzt, welche in Hertz gemessen werden. Hat ein Prozessor beispielsweise eine Taktrate von 3,1 Gigahertz (GHz), finden pro Sekunde 3.100.000.000 (3,1 Milliarden) Operationen statt.
Diese Rechenleistung ruft eine hohe Stromaufnahme ab, was wiederum für ansteigende Temperaturen sorgt. Wird die Wärme nicht durch Kühlungssysteme abgeführt, kommt es zu einer thermalen Drosselung (thermal throttling). Dabei reguliert der Prozessor kurzzeitig seine Geschwindigkeit, um seine Temperatur zu senken.

Ein Prozessor hat grob gesagt vier essenzielle Aufgaben:

  • Befehlsempfänger & -verteiler: Als Steuereinheit registriert die CPU alle Aufgaben, verarbeitet diese und leitet sie ggf. an die entsprechende Stelle weiter.
  • Rechenoperationen: Stellt der Nutzer oder ein Programm eine Rechenanforderung, wird diese intern im Binärsystem (Nullen und Einsen) errechnet.
  • BUS-System (engl.: binary unit system): Die CPU ist außerdem zuständig für Datenübertragungen (z. B. jene über USB). Die nacheinander eintreffenden Bits werden erkannt und zu zusammenhängenden Informationen zusammengesetzt.
  • Kontrolle: Neben der Abarbeitung der Befehle, kontrolliert der Prozessor zusätzlich, ob alle Aufgaben erfüllt worden sind und schlägt bei Bedarf Alarm. Dabei gleicht er diese mit Zielstandards ab und gibt bei Abweichungen eine entsprechende Rückmeldung.

Die Funktionsweise einer CPU (beschrieben von John von Neumann – 1945):

  1. Fetch: Die Adresse des nächsten Befehls wird aus dem Befehlszeilenregister im Arbeitsspeicher (RAM) gelesen und in den Befehlsspeicher geladen.
  2. Decode: Der Befehl wird von dem Befehlsdecoder entschlüsselt. Dieser aktiviert alle Schaltungen, die für die Ausführung des Befehls notwendig sind.
  3. Fetch Operands: Alle zu bearbeitenden Parameter & Werte des Befehls werden in die Register der CPU geladen. Dieser findet die Werte im Cache (Puffer-Speicher), der Festplatte oder im Arbeitsspeicher.
  4. Execute: Der Prozess wird ausgeführt. Dies kann beispielsweise eine Operation im Rechenwerk oder die Ansteuerung einer Hardwarekomponente sein.