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Ein Prozessor (Central Processing Unit, CPU) ist eines der wichtigsten Bauteile eines Computers. Er ist über einen Prozessor-Socket mit dem Motherboard verbunden und für die Ausführung von Befehlen, Rechenoperationen und die Steuerung der Hardware verantwortlich.
Für den Prozessor gibt es folgende wichtige Kenngrössen:
- Die Anzahl der Kerne gibt an, wie viele Berechnungen ein Prozessor gleichzeitig ausführen kann.
- Die Taktfrequenz gibt an, wie schnell der Prozessor Berechnungen durchführen kann. Sie wird in der Einheit Hertz angegeben, was „pro Sekunde“ bedeutet.
Funktion
Die Hauptfunktion eines Prozessors besteht darin, die Verarbeitung von Daten und die Ausführung von Befehlen zu steuern. Dabei durchläuft er einen kontinuierlichen Zyklus, der als Befehlszyklus oder Maschinenzyklus bezeichnet wird. Dieser Zyklus besteht aus mehreren Schritten:
- Fetch (Holphase): Der Prozessor ruft den nächsten Befehl aus dem Arbeitsspeicher ab. Der Befehl wird in einem speziellen Speicherbereich namens Befehlsregister gespeichert.
- Decode (Dekodierphase): Der abgerufene Befehl wird in seine Bestandteile zerlegt und von speziellen Einheiten des Prozessors interpretiert. Diese Einheiten können beispielsweise die Art der Operation und die beteiligten Daten identifizieren.
- Execute (Ausführungsphase): Der Prozessor führt den Befehl aus, indem er die entsprechenden Berechnungen durchführt oder Daten manipuliert. Dies kann beispielsweise das Addieren von Zahlen, das Vergleichen von Daten oder das Laden von Informationen aus dem Speicher beinhalten.
- Write Back (Schreibphase): Nach der Ausführung eines Befehls werden die Ergebnisse entweder in den Arbeitsspeicher zurückgeschrieben oder in spezielle Register innerhalb des Prozessors gespeichert.
Dieser Zyklus wiederholt sich kontinuierlich, wodurch eine sequentielle Ausführung von Befehlen ermöglicht wird. Die Geschwindigkeit, mit der der Prozessor diese Schritte ausführen kann, wird als Taktfrequenz gemessen und in Hertz (Hz) angegeben.
Komponenten
Ein Prozessor besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um die gewünschte Funktionalität zu ermöglichen:
- Steuerwerk (Control Unit): Das Steuerwerk koordiniert und steuert die Abläufe im Prozessor. Es interpretiert die Befehle, steuert den Fluss der Daten und sorgt für die Koordination der anderen Komponenten.
- Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit, ALU): Die ALU ist für die Durchführung von Rechenoperationen verantwortlich. Sie kann grundlegende mathematische Operationen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division ausführen.
- Registersatz: Der Registersatz besteht aus verschiedenen Registern, die temporäre Speicherplätze im Prozessor darstellen. Sie werden für die Zwischenspeicherung von Daten und Ergebnissen während der Verarbeitung verwendet. Zu den Registern gehören unter anderem das Befehlsregister, das Zwischenspeicherregister und das Adressregister.
- Cache-Speicher: Der Cache-Speicher ist ein schneller und kleiner Speicherbereich im Prozessor, der Daten temporär speichert. Er dient dazu, den Zugriff auf häufig verwendete Daten zu beschleunigen und die Lese- und Schreibzugriffe auf den langsameren Hauptspeicher zu reduzieren.
- Bus-Systeme: Prozessoren verwenden Bus-Systeme, um Daten und Befehle zwischen verschiedenen Komponenten zu übertragen. Es gibt verschiedene Arten von Bussen, wie den Datenbus, den Adressbus und den Steuerbus.