Zentraleinheit: CPU, Speicher und Busse verstehen

Im technischen Grundmodell bezeichnet „Zentraleinheit“ den Prozessor. Dazu gehören das Steuerwerk, das den Programmablauf steuert, und das Rechenwerk, das Rechnungen und logische Prüfungen ausführt. Eine solche Prüfung kann zum Beispiel feststellen, welche von zwei Zahlen größer ist.

In anderen Zusammenhängen meint „Zentraleinheit“ einen vollständigen zentralen Computer. An ihn können Arbeitsplätze angeschlossen sein, die seine Rechenleistung nutzen. Auch die Wendung „gegen die CPU spielen“ verwendet den Begriff übertragen: Gemeint ist der vom Computer gesteuerte Gegner. Welche Bedeutung passt, erkennst du am beschriebenen Zusammenhang.

Wir betrachten ein vereinfachtes Modell mit einem gemeinsamen Arbeitsspeicher für Befehle und Daten. Der Arbeitsspeicher besteht im Modell aus Speicherzellen. Jede Zelle hat eine Adresse, also eine Kennzeichnung, über die sie ausgewählt wird. Arbeitsregister sind kleine, sehr schnell zugängliche Speicherplätze im Prozessor. Sie halten zum Beispiel Zahlen für die nächste Rechnung bereit.

Die ALU ist die arithmetisch-logische Einheit, englisch „Arithmetic Logic Unit“. Arithmetisch bedeutet hier Rechnen, logisch zum Beispiel Vergleichen. Die ALU gehört zum Rechenwerk. Busse verbinden die Komponenten. Wir unterscheiden ihre Aufgaben danach, ob sie Daten, Adressen oder Steuersignale übertragen. Ein Steuersignal legt zum Beispiel fest, ob eine Speicherzelle gelesen oder beschrieben wird. Auch ein gespeicherter Befehl wird als Dateninhalt über den Datenbus übertragen.

Ein Maschinenbefehl ist eine Anweisung, die der Prozessor verarbeiten kann. Im Modell hält das Befehlsadressregister die Adresse bereit, mit der der nächste Befehl geholt wird. Der geholte Befehl kommt in das Befehlsregister. Diese beiden Register haben unterschiedliche Aufgaben: Das eine hält eine Adresse, das andere den Befehlsinhalt.

Beim Abrufen wählt die Adresse auf dem Adressbus die Speicherzelle aus. Ein Lesesignal läuft über den Steuerbus; der Befehlsinhalt gelangt über den Datenbus zum Befehlsregister. Danach entschlüsselt das Steuerwerk den Befehl: Es erkennt, welche Aktion und welche Werte benötigt werden. Fehlende Werte werden vor einer Rechnung in Arbeitsregister geladen. Die ALU führt dann die Rechnung aus.

Der Befehl legt fest, wohin sein Ergebnis gehört. Es kann in einem Arbeitsregister bleiben oder in den Arbeitsspeicher geschrieben werden. Nennt ein Modellbefehl ein Arbeitsregister als einziges Ergebnisziel, sieht unser Modell dafür kein zusätzliches Schreiben in den Arbeitsspeicher vor. Beim Schreiben in den Arbeitsspeicher werden Zieladresse, Dateninhalt und Schreibsignal übertragen.

Die folgenden Beispiele verwenden erfundene, deutsch beschriebene Modellbefehle, keinen ausführbaren Programmcode. Nicht jeder echte Befehl rechnet oder muss weitere Werte laden. Das Befehlsadressregister wird passend zum weiteren Programmablauf aktualisiert; ein Sprungbefehl legt dabei eine andere Fortsetzungsstelle fest. Wann genau diese Aktualisierung erfolgt, lassen wir im Modell offen. Bei realen Prozessoren können sich Teilschritte überlappen. Die beschriebenen Schritte entsprechen deshalb keiner festen Anzahl von Takten.

Die Taktfrequenz gibt an, wie viele Takte pro Sekunde stattfinden. Ein Takt ist ein regelmäßiges Signal zur zeitlichen Abstimmung von Abläufen. Ein Befehl kann mehrere Takte benötigen; zugleich können sich Bearbeitungsschritte verschiedener Befehle überlappen. Deshalb sagt die Taktfrequenz allein nicht, wie schnell ein Programm fertig wird.

Ein Bit kann den Wert 0 oder 1 annehmen. Die Wortbreite beschreibt hier die Anzahl der Bits, die der Prozessor bei einer typischen Verarbeitung gemeinsam behandelt. Sie beeinflusst, welche Datenmengen dabei gemeinsam verarbeitet werden können. Daraus folgt keine allgemeine Regel, dass eine größere Wortbreite jedes Programm schneller macht. Die Wortbreite legt auch nicht allgemein die Breite aller Busarten fest.

Ein Prozessorkern ist eine Verarbeitungseinheit innerhalb eines Prozessors. Mehrere Kerne können gleichzeitig Aufgaben bearbeiten. Für einen Nutzen bei einem einzelnen Programm muss dieses seine Arbeit passend auf mehrere Kerne verteilen können. Aus doppelt so vielen Kernen folgt daher keine halbierte Ausführungszeit, also keine halbierte Zeit bis zum Programmende.

Auch Anzahl und Größe der Arbeitsregister beeinflussen, wie viele Werte direkt für die Verarbeitung bereitliegen können. Für einen sinnvollen Leistungsvergleich brauchst du deshalb Angaben zum Prozessor und zur betrachteten Aufgabe. Gleiche Taktfrequenz bedeutet keine gleiche Leistung; aus einer einzelnen größeren Kennzahl folgt kein sicherer Leistungsvorsprung.