CPU ist die Abkürzung für Central Processing Unit, was sich in das Deutsche mit zentrale Steuereinheit übersetzen lässt. Sie bildet gewissermaßen das Herzstück jedes elektronischen Gerätes und steuert die vom System zu erledigenden Befehle. Alle Prozesse, die in einem elektrischen Gerät ablaufen, werden von dort geregelt. In Computern kommt Prozessoren eine zentrale Bedeutung zu. Im engeren Sinne wird unter dem Begriff CPU der Hauptprozessor eines Computers verstanden. Der Markt wird in diesem Bereich fast ausschließlich von den beiden Herstellern AMD und Intel® dominiert. Neben der Computer-Hardware finden Prozessoren auch in Smartphones und Taschenrechnern sowie Waschmaschinen und weiteren elektrischen Geräten Anwendung.
Was ist CPU?
CPU ist die Abkürzung für Central Processing Unit, was sich in das Deutsche mit zentrale Steuereinheit übersetzen lässt. Sie bildet gewissermaßen das Herzstück jedes elektronischen Gerätes und steuert die vom System zu erledigenden Befehle. Alle Prozesse, die in einem elektrischen Gerät ablaufen, werden von dort geregelt. In Computern kommt Prozessoren eine zentrale Bedeutung zu. Im engeren Sinne wird unter dem Begriff CPU der Hauptprozessor eines Computers verstanden. Der Markt wird in diesem Bereich fast ausschließlich von den beiden Herstellern AMD und Intel® dominiert. Neben der Computer-Hardware finden Prozessoren auch in Smartphones und Taschenrechnern sowie Waschmaschinen und weiteren elektrischen Geräten Anwendung.
Aufbau und Funktionsprinzip von CPUs
Eine CPU schlägt im Inneren jedes Destop-PCs oder Notebooks. Von dort aus steuert sie das gesamte System: vom Öffnen eines Programms, über die Informationsverarbeitung, bis zur Darstellung auf dem Display. Verantwortlich dafür ist das Rechen- und Steuerwerk des Prozessors. Über den Speicher werden die einzelnen Befehle an den Hauptprozessor abgegeben, der sie nach und nach abarbeitet.
Die Steuerung der CPU erfolgt mittels eines Binärsystems. Das heißt, die Ein- und Ausgaben werden in Form von Nullen und Einsen berechnet. Selbst komplexe Vorgänge lassen sich in dieser Form steuern. Wie schnell der Hauptprozessor eingehende Befehle abarbeiten kann, hängt von seiner Taktfrequenz ab. Diese gibt an, wie viele Befehle das System innerhalb einer Sekunde berechnen kann. Die Geschwindigkeit des Computers hängt jedoch nicht allein von der verbauten CPU ab, sondern stellt ein Zusammenspiel aus verschiedenen Faktoren dar. Dazu zählen neben den CPUs vor allem der Arbeitsspeicher und Cache.
In einem Computer ist der Hauptprozessor auf einem Sockel oberhalb des Mainboards angebracht. Alternativ befindet er sich in einem freien Steckplatz. Ein zusätzlicher Lüfter sorgt dafür, dass sich die CPU im Betrieb nicht überhitzt und beschädigt wird. Die Auslastung der CPU ist davon abhängig, wie viele Programme das System zur gleichen Zeit ausführen soll.
Funktionsweise
Der Hauptprozessor selbst setzt sich aus verschiedenen Bestandteilen zusammen:
- Steuerwerk mit verschiedenen Registern
- Rechenwerk (arithmetisch-logische Einheit, ALU)
- Memory Management Unit (MMU, auf Deutsch Speichermanager)
- ein mehrstufiger Cache
Das Steuerwerk der CPU holt sich die Befehle, die bearbeitet werden sollen, aus dem Register. Anschließend übersetzt es diese in den Binärcode, den das System versteht, und leitet sie an das Rechenwerk weiter. Dort werden die Befehle nacheinander abgearbeitet und wieder an das Steuerwerk ausgegeben. Der Speichermanager verwaltet den Arbeitsspeicher (RAM), wo sich das auszuführende Programm befindet. Um die Aufgaben schneller auszuführen, verfügt die CPU über einen mehrstufigen Cache. Der Cache macht es dem Prozessor möglich, schneller auf die nötigen Daten zuzugreifen.
Entwicklung von CPUs
Höhere Anforderungen an elektronische Geräte verlangen eine immer leistungsfähigere CPU. Um die Leistungsfähigkeit von Prozessoren zu erhöhen, wurde in der Vergangenheit auf verschiedene Möglichkeiten gesetzt wie beispielsweise die Erhöhung der Taktfrequenz. Eine höhere Taktfrequenz führt jedoch zu einer stärkeren Wärmeentwicklung der Hardware, die wiederum einer effektiven Kühlung bedarf – und dadurch werden die Computer im Betrieb deutlich geräuschintensiver. Aus diesem Grund sind der Optimierung rein physikalische Grenzen gesetzt, sodass andere Techniken entwickelt wurden, um CPUs leistungsfähiger zu machen.
Verschiedene Technologien
Hyper-Threading
Eine weitere Möglichkeit zur Beschleunigung des Systems besteht in Hyper-Threading – eine Technologie, die von Intel® verwendet wird. Dabei stehen einem physikalischen Prozessorkern zwei virtuelle Prozessorkerne zur Verfügung. Durch diese Technologie werden die Ressourcen der CPU effektiver ausgelastet.
Turbo-Boost
Auch mittels Turbo-Boost lässt sich die Rechenlast von CPUs beschleunigen. Dabei handelt es sich im Prinzip um eine automatische Übertaktung des Prozessors. Erfordert die Ausführung eines Befehles mehr Leistung, wird die Taktfrequenz dieses Prozessorkerns hoch gesetzt und bei den anderen abgesenkt. Dadurch kann die CPU den rechenintensiven Befehl schneller abarbeiten.
Multikernprozessoren
Heute sind Prozessoren meist als Mehrkernprozessoren ausgeführt, bei denen sich die Rechenlast auf mehrere Kerne verteilt. Dadurch können unterschiedliche Befehle zur gleichen Zeit erledigt werden. Je mehr Kerne eine CPU hat, desto schneller arbeitet sie.
- Ein-Kern-Prozessoren (Single-Core)
- Zwei-Kern-Prozessoren (Dual-Core)
- Vier-Kern-Prozessoren (Quad-Core)
- Acht-Kern-Prozessoren (Octa-Core)
Anwendung von Prozessoren
Prozessoren lassen sich allgemein in Mikroprozessor und -controller unterteilen. Als Mikroprozessor werden Prozessoren verstanden, deren Bauteile in einem Schaltkreis integriert sind. Die Hauptprozessoren moderner PCs sind als Mikroprozessor ausgeführt. Bei einem Mikrocontroller handelt es sich dagegen um einen Prozessor, der ausschließlich für Steuerungsaufgaben gedacht ist und über weitere Peripheriefunktionen verfügt. Das sind eingebettete Systeme, wie sie in Waschmaschinen und auch Smartphones vorkommen.
In Computern finden sich neben dem Hauptprozessor häufig noch weitere Prozessoren, welche die CPU von ihren Steuerungsaufgaben entlasten. Ein solcher stellt der Grafikprozessor dar, die sogenannte GPU, die grafikintensive Anwendungen erledigt.
Der Markt der CPUs für Computer unterteilt sich hauptsächlich in die beiden Hersteller Intel® und AMD. Intel®-Prozessoren mit der Klassifikation in i3, i5 und i7 bilden die Hardware vieler gängiger Computer.
