CPU einfach erklärt: Aufbau, Ablauf und Leistung

Die CPU (englisch Central Processing Unit, zentrale Verarbeitungseinheit) ist der Hauptprozessor. Man nennt sie das „Gehirn“ des Computers. Sie führt die Befehle aus, mit denen der Computer programmiert wurde.

Ein Prozessorkern besteht mindestens aus Registern, einem Rechenwerk, einem Steuerwerk und Datenleitungen. Diese Datenleitungen heißen Busse. Über sie spricht der Kern mit anderen Teilen des Computers.

Das Rechenwerk führt die Elementaroperationen durch, also die eigentlichen Berechnungen. Es kann rechnen, zum Beispiel zwei Zahlen addieren. Es kann auch logische Operationen wie AND oder OR ausführen. Das Rechenwerk besteht aus der ALU (arithmetisch-logische Einheit) und aus Arbeitsregistern.

Das Steuerwerk steuert den Ablauf der Befehlsverarbeitung. Dazu sendet es Steuersignale an andere Einheiten und empfängt Statussignale von ihnen. Im Steuerwerk sitzen der Befehlszähler, das Befehlsregister, der Befehlsdecoder und die Operationensteuerung. Der Befehlsdecoder übersetzt einen Maschinenbefehl in Anweisungen, die die nötigen Schaltungen aktivieren.

Register sind sehr schnelle Speicher direkt im Prozessor. Datenregister speichern die Zahlen, mit denen die ALU rechnet, und ihre Ergebnisse. Das Befehlsregister enthält den Befehl, der gerade ausgeführt werden soll. Der Befehlszähler zeigt auf den nächsten Befehl. Meist können Operationen nur mit den Werten in den Registern direkt ausgeführt werden.

Ein Programm besteht aus vielen Maschinenbefehlen. Die CPU arbeitet sie nacheinander ab, jeden in einem eigenen Befehlszyklus. Man nennt ihn auch Fetch-Execute-Cycle. Je nach Prozessortyp und Befehlssatz gibt es verschiedene Ausprägungen dieses Schemas. Hier siehst du das Grundschema.

Befehl laden: Die CPU nimmt den Wert des Befehlszählers (auch Programmzähler genannt). Er sagt ihr, wo im Hauptspeicher der Befehl steht. Der Befehl wird in die CPU geladen und landet im Befehlsregister.

Befehl dekodieren: Die CPU ermittelt den Befehlscode und die Operanden. Operanden sind die Werte, mit denen der Befehl arbeitet. Außerdem wird ermittelt, wie sie adressiert werden müssen.

Operanden laden: Danach werden die Operanden in die CPU geladen. Wie das genau geht, hängt von der Adressierung ab.

Befehl ausführen: Der Befehl wird gemäß dem Befehlscode ausgeführt. Logische Befehle verarbeitet zum Beispiel das Rechenwerk.

Ergebnis speichern: Das Ergebnis wird im Hauptspeicher abgelegt. War der letzte Befehl ein Sprungbefehl, wird der Befehlszähler auf das Sprungziel gesetzt. Ein Sprungbefehl lässt das Programm an einer anderen Stelle weitermachen. Sonst erhält der Befehlszähler die Adresse des nächsten Befehls. Danach beginnt der Zyklus von vorn, solange kein HALT-Befehl ausgeführt wurde.

Jeder Schritt braucht je nach Komplexität des Befehlssatzes mehrere Taktzyklen.

Die CPU ist über Busse mit dem Arbeitsspeicher (auch Hauptspeicher oder RAM genannt) verbunden. Es gibt drei Arten von Leitungen.

Über den Datenbus werden Daten mit dem Arbeitsspeicher ausgetauscht, etwa die Informationen für die Arbeitsregister und das Befehlsregister. Der Adressbus überträgt Speicheradressen. So wird jeweils eine Speicherzelle des RAM ausgewählt. Mit dem Steuerbus steuert der Prozessor unter anderem, ob Daten gerade geschrieben oder gelesen werden sollen.

Beim Lesen eines Befehls läuft es so: Das Steuerwerk legt den Befehlszähler auf den Adressbus und signalisiert einen Leseimpuls. Der Inhalt der Speicherzelle liegt dann auf den Datenleitungen. Das Steuerwerk kopiert ihn ins Befehlsregister. Beim Speichern eines Ergebnisses legt das Steuerwerk die Adresse auf die Adressleitungen und die Daten auf die Datenleitungen. Dazu kommt ein Schreibimpuls. Danach muss die CPU genug lange warten, bis das RAM die Daten sicher aufgenommen hat.

Im PC bilden 64 Datenleitungen, bis zu 40 Adressleitungen und einige Steuerleitungen den Speicherbus.

Das Ein-/Ausgabewerk (englisch I/O Unit) steuert die Ein- und Ausgabe von Daten. Sie läuft zum Anwender (Tastatur, Bildschirm) oder zu anderen Systemen über Schnittstellen. Mitunter ist eine I/O-Unit in den Prozessor integriert.

Der Takt: Alle Vorgänge in der CPU laufen getaktet ab. Die Taktfrequenz gibt an, wie oft die Taktsignale kommen. Sie wird in Hertz (Hz) angegeben. Heutige PCs haben Taktfrequenzen von drei bis vier Gigahertz, also drei bis vier Milliarden Takte pro Sekunde. Bei 1 GHz dauert ein Takt eine Nanosekunde. Gleiche Frequenz heißt gleich lange Takte. Eine CPU mit höherer Taktfrequenz kann mehr Befehle pro Zeiteinheit ausführen.

Die Wärme: Solange ein Schaltkreis im Zustand „0“ oder „1“ bleibt, verbraucht er fast keinen Strom. Beim Umschalten steigt der Strombedarf steil an. Je höher der Takt, desto höher ist die Wärmeentwicklung. Eine bestimmte Dual-Core-CPU (D840) verwandelte 140 Watt auf 2 cm² in Wärme: 70 W/cm². Eine Kochplatte mit 750 Watt auf etwa 250 cm² kommt nur auf 3 W/cm². Ab Frequenzen von etwa 4 GHz war die Abwärme nicht mehr sinnvoll handhabbar. Gute Kühlung ist deshalb wichtig. Wie man kühlt, behandelt diese Seite nicht. Der Turbo-Modus erhöht den Takt kurzzeitig, je nach Auslastung der Kerne und Temperatur. Wird ein Kern zu heiß, macht er eine Abkühlpause. Speedstep senkt den Takt bei geringer Belastung automatisch und spart Strom.

Die Kerne: Ein Mehrkernprozessor hat mehr als einen vollständigen Prozessorkern in einem Chip. Er entstand, weil höhere Taktfrequenzen große technische Probleme verursachten. Theoretisch bringen n Kerne das n-fache an Rechenleistung. In der Realität wird das kaum erreicht. Die tatsächliche Steigerung hängt vor allem davon ab, wie gut die Software parallelisiert ist, also die Arbeit auf mehrere Kerne verteilt. Viele Anwendungen, insbesondere Büroanwendungen und Spiele, nutzen den zweiten Kern überhaupt nicht. Bei einer Doppelkern-CPU ist bei geeigneten Anwendungen eine Leistungssteigerung um 40 % bis 70 % realistisch. Bei Intel gibt es ab der 12. Core-i-Generation P-Cores und E-Cores auf einem Chip. Die E-Cores verbrauchen weniger Strom, die P-Cores erledigen Aufgaben schneller.

Weitere Faktoren: Ein Cache ist ein kleiner, schneller Zwischenspeicher. Er speichert die zuletzt verarbeiteten Daten und Befehle, damit man sie rasch wiederverwenden kann. Auch Größe und Anzahl der Register spielen eine Rolle. Die IPC-Rate (Instruktionen pro Taktzyklus) gibt an, wie viele Befehle die CPU pro Takt gleichzeitig abarbeiten kann. Selbst bei gleichem Befehlssatz und gleicher Taktrate können sich deshalb gravierende Leistungsunterschiede zeigen. Auch die Anbindung an den Arbeitsspeicher zählt. Zum Vergleichen reicht der Blick auf die Taktfrequenz nicht mehr aus.