Der Prozessor richtet es!

Die zentrale Recheneinheit eines Computers ist der Prozessor. Gemeinhin wird er auch als CPU (Central Processing Unit) bezeichnet. Sind, wie heute in den meisten PCs üblich, mehrere Prozessoren als eingebettetes System (embedded systems) eingebaut, so steuert die CPU alle anderen Prozessoren. Ein Hauptprozessor ist über seine einzelnen Bestandteile oder Funktionseinheiten der Manager aller Prozesse im Computer. Das Verhalten des Prozessors bestimmen programmierte Einheiten, die Befehle und Daten im Maschinencode stellen. Hauptbestandteile des Prozessors sind:

Die Register
Als interne Speicher stellen Register schnelle Verbindungen zu anderen Prozessorbestandteilen bereit. Sie sind das Nahverkehrssystem mit der Geschwindigkeit eines Transrapid. Sie stellen die erste Stufe der gesamten Speicherhierarchie des Computers dar. Nur mit ihren Daten können direkt Operationen ausgeführt werden.

Die Arbeitsregister liefern Daten und, je nach Prozessortyp, auch Adressen.

Das Befehlszählregister nimmt immer die Adresse des Befehls auf, der als nächstes ausgeführt werden soll. Deshalb wird es oft auch als IP (Instruction Pointer) bezeichnet.

Das Befehlsregister nimmt Befehle in binärer Maschinensprache auf, die Grundlage der Rechenvorgänge sind.

Größe und Eigenschaften der Register sind ein Indiz für die Leistungsfähigkeit des Prozessors.

Rechenwerk
ALU (Arithmetic Logical Unit) – so heißt das Rechenwerk, das die elementaren Operationen eines Rechners ausführt. Es kann arithmetische Operationen wie die Addition ausführen oder logische Operationen wie etwa UND (AND) und ODER (OR).

Befehlsdecoder
Ein notwendiger Übersetzer, der aus binären Maschinenbefehlen mit Hilfe der Befehlstabelle (Instruction Table) die entsprechenden Anweisungen kreiert, die dann Schaltungen aktivieren, durch die ein Befehl erst ausgeführt wird.

Steuerwerk
Die Kontrollinstanz im Prozessor ist das Steuerwerk. Es checkt und setzt die Ausführung der Anweisungen in Gang. Es sorgt dafür, dass der Befehl im Befehlsregister vom Befehlsdecoder decodiert und vom Rechenwerk ausgeführt wird. Es lädt den bei der Adresse im Befehlszählerregister liegenden Befehl in das Befehlsregister und dann die nächste Adresse ins Befehlszählerregister. Fast schon wie beim Militär.

Speichermanager
Das Zentralorgan zur Verwaltung aller Speicher, genannt Memory Management Unit (MMU). Die MMU regelt den Zugriff auf Arbeitsspeicher und Hardware, indem sie virtuelle Adressen in physische Adressen übersetzt und dann auf den Adressbus setzt. Die MMU verfügt über spezielle Cache-Speicher, die Translation Lookaside Buffer, die jeweils die letzten Adressübersetzungen in Tabellen speichern. Daneben hat die MMU Speicherschutzfunktionen. Sie kann Speicher für bestimmte Codes sperren. Sie schottet Prozesse voneinander und vom Betriebssystem ab. Der Betrieb wird wesentlich sicherer, da die MMU verhindert, dass Fehler in einem Prozess zu einem direkten Zugriff auf Daten eines anderen Prozesses oder des Betriebssystems führen.

Caches
Caches sind die Zwischenspeicher. Sie enthalten die zuletzt verarbeiteten Daten und Befehle und stellen Sie bei Bedarf blitzschnell wieder zur Verfügung. Nach den Registern stellen sie die zweite Stufe der Speicherhierarchie dar. Bis zu drei Caches werden inzwischen in Computerprozessoren eingebaut:
Level-1-Cache: Dieser Cache läuft mit dem Prozessortakt. Er ist sehr klein, fasst nur etwa 4-256 KB. Dafür ist er aufgrund seiner Lage zentral im Prozessorkern ein richtig schneller.
Level-2-Cache: Auch dieser ist direkt in den Prozessor eingebaut, liegt jedoch nicht im Kern. Er fasst bereits zwischen 64 KB und 12 MB.
Level-3-Cache: Ein Cache, der meist in Mehrkernprozessoren eingebaut wird. Ihn müssen sich die Prozessoren teilen. Er ist der langsamste, aber auch der größte der drei Caches, bis zu 256 MB fasst er.

Datenleitungen
Für den Transport sind im Prozessor oder in der Prozessorenlandschaft Busse zuständig. Dieses Nahverkehrssystem ist streng reglementiert, nicht jeder darf zusteigen. Je nach Architektur des Prozessors sind ein oder zwei Datenbusse für den Transfer der Programmcodes und der normalen Daten zuständig. Über den Adressbus laufen die Speicheradressen. Und schließlich steuert der Prozessor mit dem Steuer- oder Kontrollbus die Peripherie-Anschlüsse, also Anschlüsse für die umgebenden Geräte (via USB, PCI etc.).

In den letzten Jahren werden immer mehr Funktionen, die früher nach einem separaten Chip verlangten, in die Prozessoren integriert. Darunter zum Beispiel

  • ein numerischer Coprozessor für schnellere Rechenoperationen;
  • Vektorarithmetikeinheiten für schnelle Grafikbearbeitung;
  • Chipsatz (oder Teile davon) zur Ansteuerung des RAMs;
  • Grafikchip zur Anzeigesteuerung etc.

So fing alles an

Vor dem Zweiten Weltkrieg bestand das Rechenwerk eines Computers aus Relais und mechanischen Bauelementen. Diese elektromechanischen Rechner waren langsam und sehr störanfällig. In den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts begann man, Computer mit Hilfe von Röhren zu bauen. Diese Röhrenrechner wurden in den 50er Jahren dann „Massenprodukte“, die zwar in keinem Haushalt, aber doch schon in vielen Universitäten, Forschungseinrichtungen und einigen Unternehmen ihren Dienst taten. Um die Rechner erschwinglich zu machen, wurde die Anzahl der Röhren reduziert: Hauptspeicher und CPU-Register waren nun auf einer Magnettrommel untergebracht. Rechenoperationen wurden seriell ausgeführt, und die Ablaufsteuerung realisierte man mit Hilfe einer Diodenmatrix. In den frühen 60er Jahren begann dann die Neuzeit der Computertechnik. Röhren wurden durch Transistoren ersetzt und im Laufe der Jahre brachte man immer mehr Transistorfunktionen in integrierten Schaltkreisen unter. Der Weg zum modernen Chip war konzipiert.

Heute kann man wirtschaftlich erträglich bereits rund 1 Milliarde Transistorfunktionen auf einem einzigen Chip unterbringen.

RAM = Random Access Memory

Verdeutscht heißt das RAM soviel wie „Speicher mit wahlfreiem Zugriff“ oder „Direktzugriff“. RAMs werden in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt, besonders aber als Arbeitsspeicher im Computer. Es sind Schreib-/Lesespeicher.

RAMs sind meist als integrierter Schaltkreis in Silizium-Halbleitertechnik umgesetzt. In Reihen und Spalten, einer Matrixform, sind die Speicherzellen auf dem Chip angeordnet. Eine Steuerleitung gibt dem Chip an, ob geschrieben oder gelesen wird. Zum RAM-Chip gehören natürlich auch Datenleitungen, die so genannten Pins. RAMs gibt es in einigen technischen Varianten, die sich vor allem dadurch unterscheiden, ob sie flüchtig (volatil) oder nicht flüchtig (non volatil) sind. Flüchtig meint dabei, dass Daten energieabhängig gespeichert werden. Sobald der Energiefluss unterbrochen wird, gehen die Daten verloren.

In Computern sind überwiegend volatile RAMs eingebaut. SRAMs (statisches RAM), die relativ groß und Energie fressend sind, als Cache-Speicher. DRAMs (dynamisches RAM) mit kleiner Kapazität, geringerem Stromverbrauch und hoher Geschwindigkeit als Arbeitsspeicher.

ROM = Read Only Memory

Ein Festspeicher, nicht volatil, der im normalen Betrieb nur gelesen, aber nicht beschrieben werden kann. In Computern ist das Basisprogramm BIOS (Basic Input/Output System) zum Starten des Betriebssystems zum Beispiel auf einem ROM programmiert. Inzwischen gibt es unterschiedliche Varianten von ROMs, vom nicht beschreibbaren über den unter bestimmten technischen Voraussetzungen beschreibbaren bis zum löschbaren und wieder beschreibbaren. Heute wird als Ersatz für das ROM schon häufig ein Flash-Speicher verbaut.

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