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CPU einfach erklärt: Aufbau, Ablauf und Leistung
Die CPU ist die zentrale Verarbeitungseinheit eines Computers. Sie liest Programmbefehle, entschlüsselt und verarbeitet sie und koordiniert dabei andere Komponenten.
Auf dieser Seite lernst du, wie eine CPU aufgebaut ist, wie sie einen Befehl ausführt und warum ihre Leistung nicht allein von der Taktfrequenz abhängt.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Welche Aufgabe hat die CPU?
CPU steht für Central Processing Unit, auf Deutsch zentrale Verarbeitungseinheit. Häufig wird sie einfach Prozessor genannt. Sie führt Programmanweisungen aus, verarbeitet Daten und steuert einen großen Teil der Abläufe im Computer.
Wenn du beispielsweise eine Datei öffnest, muss die CPU die dazugehörigen Befehle verarbeiten. Sie arbeitet dabei nicht allein: Benötigte Daten können aus dem Arbeitsspeicher kommen, und das Ergebnis kann über ein Ausgabegerät wie den Bildschirm sichtbar werden.
Binärcode
Binärcode stellt Informationen mit den beiden Zeichen 0 und 1 dar. Auch Zahlen, Buchstaben und Befehle müssen für die Verarbeitung im Computer binär codiert sein.
Eine einfache binäre Rechnung lautet 1 + 1 = 10. Das Ergebnis 10 entspricht im Dezimalsystem der Zahl 2.
Welche Bauteile arbeiten in der CPU?
Für ein Grundmodell reichen drei Funktionsbereiche:
- Das Steuerwerk koordiniert die Verarbeitung und bestimmt, welcher Schritt als Nächstes ausgeführt wird.
- Das Rechenwerk, auch ALU genannt, führt arithmetische Berechnungen und logische Operationen aus.
- Register sind kleine, besonders schnell erreichbare Speicherbereiche für Werte, die unmittelbar benötigt werden.
Soll die CPU zwei binär codierte Zahlen addieren, koordiniert das Steuerwerk den Ablauf. Die benötigten Werte können vorübergehend in Registern liegen. Das Rechenwerk führt die Addition aus, anschließend wird das Ergebnis für den nächsten Verarbeitungsschritt bereitgestellt.
Das Steuerwerk organisiert, das Rechenwerk verarbeitet und Register halten kurzfristig benötigte Werte bereit.
Wie führt die CPU einen Befehl aus?
Die Verarbeitung lässt sich als wiederkehrender Befehlszyklus darstellen:
- Abrufen: Die CPU liest den Befehl aus dem Speicher.
- Dekodieren: Sie bestimmt, welche Operation der Befehl verlangt.
- Operanden abrufen: Sie holt die benötigten Werte. Solche Eingabewerte einer Operation heißen Operanden.
- Ausführen: Sie führt die Berechnung oder logische Operation aus und stellt das Ergebnis bereit.
Ein Programm enthält einen Befehl zum Addieren zweier Werte.
- Die CPU ruft den Additionsbefehl ab.
- Das Steuerwerk erkennt, dass eine Addition verlangt wird.
- Die beiden benötigten Zahlen werden abgerufen.
- Das Rechenwerk addiert sie und stellt das Ergebnis bereit.
Der entscheidende Gedanke lautet: Die CPU muss zuerst verstehen, was zu tun ist, bevor sie die Operation ausführt.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Zuerst wird ein Befehl . Danach wird er . Anschließend werden benötigte geholt. Zum Schluss wird die Operation .
Wie arbeitet die CPU mit anderen Komponenten zusammen?
Die CPU benötigt Daten und Befehle aus dem Arbeitsspeicher. Ergebnisse können wieder gespeichert oder über Ausgabegeräte ausgegeben werden. Eingabegeräte liefern Informationen, die ein Programm weiterverarbeitet.
Dieses Zusammenspiel passt zum EVA-Prinzip:
- Eingabe: Daten oder Befehle gelangen in das System.
- Verarbeitung: Die CPU verarbeitet sie mithilfe eines Programms.
- Ausgabe: Das Ergebnis wird bereitgestellt, etwa auf einem Bildschirm.
Bussystem
Ein Bussystem überträgt Daten und Befehle zwischen CPU, Speicher und weiteren Hardwarekomponenten.
Du startest ein Video. Deine Eingabe löst Programmbefehle aus. Die CPU verarbeitet diese Befehle und koordiniert den Datenaustausch. Das sicht- und hörbare Video ist die Ausgabe, an der auch weitere Hardware beteiligt ist.
Wovon hängt die Leistung einer CPU ab?
Die Taktfrequenz beschreibt den Arbeitsrhythmus einer CPU. Ihre Einheit ist Hertz:
$$1\,\text{Hz} = 1\,\text{Takt pro Sekunde}$$
$$1\,\text{GHz} = 1.000.000.000\,\text{Hz}$$
Eine CPU mit 1 GHz besitzt damit eine Milliarde Takte pro Sekunde. Das bedeutet jedoch nicht automatisch eine Milliarde vollständig ausgeführte Programmbefehle oder Rechenoperationen: Auch Architektur und Effizienz der Befehlsausführung beeinflussen, wie viel Arbeit pro Takt erledigt wird.
Weitere wichtige Faktoren sind:
- Kernzahl: Mehrere Prozessorkerne können Aufgaben parallel bearbeiten, wenn Programm und Aufgabe dies erlauben.
- Architektur: Der innere Aufbau beeinflusst, wie effizient Befehle verarbeitet werden.
- Register und Cache: Register halten unmittelbar benötigte Werte. Der kleine, schnelle Cache hält häufig verwendete Informationen in CPU-Nähe bereit.
- Kühlung: Beim Arbeiten entsteht Wärme. Sie muss abgeführt werden, damit die CPU zuverlässig arbeitet und nicht beschädigt wird.
Bezeichnungen wie Dual-Core, Quad-Core und Octa-Core stehen für zwei, vier beziehungsweise acht Kerne. Mehr Kerne machen eine einzelne Aufgabe nicht zwangsläufig im gleichen Verhältnis schneller. Die Aufgabe muss sich für parallele Bearbeitung eignen.
Vergleiche CPUs nicht allein nach GHz. Kernzahl, Architektur, Ausführungseffizienz und die jeweilige Aufgabe gehören ebenfalls zur Beurteilung.
Worin unterscheiden sich CPU und GPU?
Die CPU ist für viele allgemeine Aufgaben und die Ausführung von Programmen ausgelegt. Die GPU bedeutet Graphics Processing Unit und ist besonders für grafikintensive Aufgaben wie Spiele und Videoverarbeitung optimiert.
Die beiden Einheiten sind deshalb keine bloßen Varianten desselben Bauteils. Sie besitzen unterschiedliche Schwerpunkte und können bei einer Aufgabe zusammenarbeiten.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- CPU
- Aufgaben
- Befehle ausführen und Daten verarbeiten
- Komponenten koordinieren
- Aufbau
- Steuerwerk, Rechenwerk und Register
- Befehlszyklus
- Abrufen, dekodieren, Operanden holen, ausführen
- Zusammenspiel
- Arbeitsspeicher, Bussystem und Ein- oder Ausgabe
- Leistung
- Takt, Kerne, Architektur, Cache und Kühlung
- Abgrenzung
- CPU allgemein, GPU grafikintensiv
- Aufgaben
Abschluss-Check
Du kannst eine CPU nun funktional erklären: Sie verarbeitet binär codierte Befehle in einem wiederkehrenden Zyklus, nutzt dabei Steuerwerk, Rechenwerk und Register und tauscht Informationen mit Speicher und weiterer Hardware aus. Für einen Leistungsvergleich betrachtest du mehrere Merkmale statt nur die GHz-Zahl.