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Zentraleinheit: CPU, Speicher und Busse verstehen
Die Zentraleinheit verarbeitet Programmbefehle und Daten. Ihr Kern ist die CPU: Das Steuerwerk organisiert den Ablauf, die ALU rechnet und vergleicht, schnelle Speicher halten benötigte Informationen bereit und Busse transportieren sie.
Aufgepasst: Der Begriff „Zentraleinheit“ wird nicht überall gleich verwendet. Je nach Darstellung bezeichnet er nur die CPU oder eine größere Einheit mit CPU, Arbeitsspeicher, Mainboard und Bussystem.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was gehört zur Zentraleinheit?
Stell dir vor, jemand zeigt auf einen Prozessorchip und nennt ihn „Zentraleinheit“. Eine andere Person verwendet dasselbe Wort für CPU, RAM und Mainboard zusammen. Wer hat recht?
Beide Verwendungen kommen vor. Deshalb solltest du zuerst klären, welche Bedeutung im jeweiligen Text gemeint ist.
CPU
Die CPU (Central Processing Unit, zentrale Verarbeitungseinheit) führt Programmanweisungen aus, verarbeitet Daten und übernimmt zentrale Rechen- und Steueraufgaben.
Der funktionale Kern einer CPU besteht aus:
- dem Steuerwerk, das Befehle abruft, deutet und ihre Ausführung steuert;
- der ALU (Arithmetic and Logic Unit), die rechnet und logische Operationen ausführt;
- Registern, also kleinen, sehr schnellen internen Speichern für gerade benötigte Bitfolgen.
Je nach Begriffsverwendung zählen außerdem RAM, Mainboard, Taktgeber oder Bussystem zur Zentraleinheit.
CPU ist die eindeutigere Bezeichnung für den Prozessor. Bei Zentraleinheit musst du auf die Definition im jeweiligen Zusammenhang achten.
Wie verarbeitet die CPU einen Befehl?
Ein Programm besteht aus Befehlen. Damit daraus eine Handlung wird, arbeitet die CPU in einem wiederkehrenden Ablauf.
- Abrufen: Das Steuerwerk holt einen Befehl aus dem Speicher.
- Dekodieren: Es bestimmt, welche Aktion verlangt wird.
- Verarbeiten: Die ALU führt bei Bedarf eine Rechnung oder logische Operation aus.
- Bereitstellen: Das Ergebnis wird gespeichert oder zur weiteren Verarbeitung beziehungsweise Ausgabe weitergegeben.
Ein Befehl soll die Zahlen 7 und 5 addieren.
- Das Steuerwerk ruft den Befehl und die benötigten Daten ab.
- Es erkennt: Gefordert ist eine Addition.
- Die ALU berechnet $7 + 5 = 12$.
- Das Ergebnis 12 wird in einem Speicher abgelegt und kann anschließend weiterverwendet oder ausgegeben werden.
Der entscheidende Gedanke: Das Steuerwerk organisiert den Ablauf; die ALU führt die Rechenoperation aus.
Welche Speicher braucht die Verarbeitung?
Die CPU benötigt Befehle und Daten nicht alle gleich schnell und nicht gleich lange. Deshalb arbeiten mehrere Speicherarten zusammen.
Bit und Byte
Ein Bit ist ein Binärzeichen mit dem Wert 0 oder 1. Acht Bit bilden ein Byte: $1\,\text{Byte} = 8\,\text{Bit}$.
- Register liegen in der CPU und halten unmittelbar benötigte Informationen bereit.
- Der Cache ist ein kleiner, flüchtiger Speicher für häufig verwendete Daten und Befehle. Er kann Zugriffe auf den langsameren Hauptspeicher verringern.
- Der RAM enthält aktuell benötigte Programme und Daten. Er ist flüchtig: Beim Ausschalten gehen seine Inhalte verloren.
- HDD und SSD bewahren Dateien dauerhaft auf. Eine SSD besitzt keine beweglichen mechanischen Teile; eine HDD arbeitet mit rotierenden Magnetscheiben.
- ROM bezeichnet in der hier verwendeten vereinfachten Unterscheidung einen dauerhaft lesbaren Speicher, der beispielsweise eine Startroutine enthalten kann.
Du startest ein Programm, bearbeitest eine Datei und speicherst sie.
Das Programm und die aktuell bearbeiteten Daten liegen während der Arbeit im RAM. Häufig benötigte Informationen können zusätzlich in Cache und Registern bereitstehen. Erst das Speichern auf SSD oder HDD sorgt dafür, dass die Datei auch nach dem Ausschalten erhalten bleibt.
Drei Byte entsprechen $3 \cdot 8 = 24$ Bit.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Der hält aktuell benötigte Programme und Daten bereit. Sein Inhalt ist . Für dauerhaft gespeicherte Dateien eignen sich . Besonders kleine und schnelle Speicher innerhalb der CPU heißen .
Wie transportieren Busse Informationen?
CPU, Speicher und weitere Komponenten müssen Daten austauschen. Dafür gibt es ein Bussystem: Leitungen und Verbindungen, über die Informationen übertragen werden.
Die drei Busarten
Der Datenbus transportiert Daten. Der Adressbus bestimmt, welcher Speicherplatz oder welche Komponente gemeint ist. Der Steuerbus übermittelt Steuersignale, zum Beispiel ob gelesen oder geschrieben werden soll.
Die Zahl 42 soll an einer bestimmten Speicheradresse abgelegt werden.
- Der Adressbus übermittelt das Ziel.
- Der Datenbus transportiert den Wert 42.
- Der Steuerbus signalisiert, dass der Wert geschrieben werden soll.
Erst das Zusammenspiel beantwortet drei verschiedene Fragen: Wohin? Was? Welche Aktion?
Adressbus: Wohin? Datenbus: Was? Steuerbus: Was soll geschehen?
Wovon hängt die CPU-Leistung ab?
Eine CPU mit höherer Taktfrequenz ist nicht automatisch in jeder Situation schneller. Die Taktfrequenz beschreibt den Arbeitsrhythmus und wird häufig in Gigahertz angegeben. Für die tatsächliche Leistung sind aber auch Architektur, Zahl der Kerne, Speicherzugriffe und Aufgabe wichtig.
Mehrere Kerne können unterschiedliche Aufgaben gleichzeitig bearbeiten. Das bringt jedoch nur dann einen Vorteil, wenn die Arbeit passend verteilt werden kann.
Ein Cache kann die Verarbeitung beschleunigen, weil häufig benötigte Informationen näher an der CPU bereitstehen. Er ersetzt den größeren RAM aber nicht.
Bei der Verarbeitung entsteht Wärme. Deshalb benötigen stark beanspruchte CPUs eine geeignete Kühlung.
Taktfrequenz, Kernzahl oder Busbreite sind einzelne Merkmale. Ein fairer Leistungsvergleich darf keines davon allein als vollständiges Urteil verwenden.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Zentraleinheit
- Begriff
- CPU allein oder größere Einheit
- CPU
- Steuerwerk, ALU und Register
- Befehlsverarbeitung
- Abrufen, Dekodieren, Verarbeiten, Bereitstellen
- Speicher
- Cache und RAM für aktuelle Daten; SSD und HDD dauerhaft
- Bussystem
- Datenbus, Adressbus und Steuerbus
- Leistung
- Architektur, Taktfrequenz, Kerne und Speicherzugriffe
- Begriff