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Grundlagen: der Prozessor (CPU)

Der Prozessor ist  das Herzstück eines modernen Computers. Seine Aufgabe ist das eigentliche Rechnen. Jeder möchte einen schnellen Prozessor, aber was ist überhaupt ein Prozessor? Wie funktioniert er und was macht ihn überhaupt schnell? Um diese Fragen zu verstehen, muss man sich einmal anschauen, wie der Prozessor aufgebaut ist und wie er funktioniert. Dieses Thema möchte ich heute einmal besprechen.

Was ist ein Prozessor?

Eins zu aller erst: Gigahertz ist nicht alles. Es kommt sehr stark darauf an, was man mit dem Computer machen möchte, um zu entscheiden, welcher Prozessor der Richtige ist. Damit habe ich schon einmal sehr weit vorgegriffen aber fangen wir beim Anfang an. In den frühen 1960-er Jahren wurde der aus Röhren bestehende Prozessor durch transistorbasierte Prozessoren verdrängt. Die Anzahl der Transistoren die man auf einem Prozessor unterbringen kann, ist ausschlaggebend für seine Rechenleistung. Angefangen hatte es mit 2300 Prozessoren als Intel 1971 den Intel 4004 herausbrachte, aber dazu mehr im Abschnitt Geschichte.

Der Prozessor ist heute ein ungefähr 4 × 4 cm großer Chip mit hunderten von Kontakten auf der Unterseite. Er sitzt direkt auf dem Mainboard und auf ihm ist ein sehr großer Kühler. Der Anschluss des Prozessors an das Mainboard nennt sich Sockel.
Die Bestandteile eines Prozessors:

Rechenwerk

Das Rechenwerk oder Operationswerk führt die Maschinenbefehle aus denen ein Computerprogramm besteht aus. Der Begriff wird häufig mit der ALU, der arithmetisch logischen Einheit verwechselt. Die ALU stellt zwar einen wichtigen Teil des Prozessors dar, ist aber nur eine Komponente.
Steuerwerk

Das Steuerwerk hat die Aufgabe Anweisungen die der Prozessor ausführen soll zu kontrollieren und zu steuern.

BUS

Ein BUS ist eine Datenleitung. Mit der Datenleitung ist der Prozessor mit anderen Komponenten verbunden. Über den Datenbus werden Daten aus dem Arbeitsspeicher an den Prozessor und zurück geleitet. Der Adressbus überträgt Speicheradressen, dabei wird jeweils eine Speicherzelle des Arbeitsspeichers adressiert. Mithilfe des Steuerbusses wird kontrolliert, ob gerade gelesen oder geschrieben wird.

Cache

Der Cache ist ein Speicher. Er sorgt dafür, dass der Prozessor schnell mit Daten versorgt wird. Das Problem das sich stellt ist, dass das Lesen und Schreiben von der Festplatte oder von dem Arbeitsspeicher für einen Prozessor viel zu langsam ist. Nach dem Flaschenhals-Prinzip bestimmt die langsamste Komponente die Geschwindigkeit des ganzen Computers. Um dieses Problem zu lösen, benötigt man einen besonders schnellen Speicher, in dem Ergebnisse vom Prozessor eingelagert und Daten die der Prozessor gleich braucht vorbereitet werden können. Diese Aufgabe hat der Cache-Speicher. Er sorgt also dafür, dass der Prozessor besonders effizient mit Daten versorgt wird. Der Cache liegt dabei zwischen Arbeitsspeicher und Prozessor. Auch wenn der Arbeitsspeicher für Computer sehr sehr schnell ist, ist er für den Prozessor noch zu langsam. Für die Geschwindigkeit eines Computers gilt, dass ein großer Cache eine höhere Performance bietet.
Der Cache wird dabei aufgeteilt in verschiedene Level.
Level 1 Cache (L1 Cache)
Im Level eins Cache speichert der Computer die am häufigsten benötigten Befehle und Daten. Er wird dafür verwendet die CPU optimal auszulasten.
Level 2 Cache (L2 Cache)
Der Level zwei Cache dient als Zwischenspeicher für den Arbeitsspeicher.
Eine Frage, die immer wieder bei der Prozessorwahl auftritt ist die, ob ein Prozessor mit einem größeren Cache oder mit einem schnelleren Takt sinnvoller ist. Hier kommt es auf die Art der Computernutzung an.
Verwendet der Nutzer Programme mit einem höheren Platzbedarf, insbesondere mit komplexen Rechenoperationen wie zum Beispiel Bildbearbeitung, ist ein höherer Takt die sinnvollere Wahl. Mehrere gleichzeitig ausgeführte Programme brauchen eher einen großen Cache-Speicher. Normale Desktop Computer verfügen in der Regel über Prozessoren mit einem möglichst großen Cache.

32 und 64 Bit Prozessoren

Häufig hört man von 32 oder von 64 Bit Prozessoren oder auch von 32 oder 64 Bit Betriebssystemen. Die Bedeutung dahinter ist ganz einfach. Die Zahl bezieht sich auf den physischen Adressraum des Arbeitsspeichers. Bei 32 Bit sind das maximal 4 GB. Diese 4 GB lassen sich direkt adressieren. Hat ein Computer beispielsweise 10 GB eingebaut, der oben erwähnte Bus und der Prozessor können aber maximal 32 Bit ansprechen, kann der Prozessor nur auf 4 GB von den maximal zu Verfügung stehenden 10 GB zugreifen. Da 4 GB nun aber nicht wirklich viel sind, benötigt man einen größeren Adressraum. Aus diesem Grund wurde der Adressraum bei 64 Bit Prozessoren verdoppelt. Möchte man also mehr als 4 GB Arbeitsspeicher nutzen, benötigt man also einen 64 bitfähigen Prozessor. Das sollten heute so gut wie alle Prozessoren sein.