Aufgabe 1:
Unter der Aufgabenstellung findet ihr Informationen und Fragen zum Thema CPU. Eure Aufgabe ist es, die Mindmap mit wichtigen Informationen zu erweitern. Fangt mit einer eigenen Recherche zum Thema an und versucht, die Fragen zu beantworten. Euch ist es freigestellt, auch die Texte und Videos von dieser Webseite zu verwenden. Falls auf dem A3-Blatt nicht genügend Platz ist, könnt ihr auch ein Extrablatt verwenden. Unter den Fragen findet ihr außerdem ein Kreuzworträtsel, das ihr als Extrablatt erhaltet oder auch als digitale Version.

Diese Leitfragen können euch helfen, nach anfänglichen Informationen zu suchen. Sucht auch gerne nach anderen Informationen, die euch interessieren.

1. Kann ein Computer ohne CPU funktionieren?
2. Welche Orientierungswerte gibt es, um die Geschwindigkeit einer CPU anzugeben?
3. Welchen Vorteil haben mehrere Kerne?
4. Was macht die ALU?
5. Was ist Simultaneous Multithreading?

Kreuzworträtsel

Mit dem Aufdecken-Button könnt ihr euch die Lösung des Kreuzworträtsels anschauen.

Was ist die zentrale Recheneinheit (CPU)?

Eine zentrale Recheneinheit (CPU) ist die wichtigste Funktionskomponente eines Computers. Die CPU ist eine Ansammlung elektronischer Schaltkreise, die das Betriebssystem und die Apps eines Computers ausführen und eine Vielzahl anderer Computervorgänge verwalten. Eine CPU ist im Wesentlichen das aktive Gehirn des Computers. Sie ist der unsichtbare Manager innerhalb des Computers, wo Dateneingaben in Informationsausgaben umgewandelt werden. Sie speichert Programmanweisungen und führt sie über ihre riesigen Schaltkreisnetzwerke aus. Wie das menschliche Gehirn ist auch die CPU zu Multitasking in der Lage. Das bedeutet, dass sie auch der Teil des Computers ist, der gleichzeitig die internen Funktionen des Computers reguliert, den Stromverbrauch überwacht, Computerressourcen zuweist und Schnittstellen zu verschiedenen Apps, Programmen und Netzwerken bietet. Wenn ihr immer noch nicht davon überzeugt seid, wie wichtig CPUs für die Datenverarbeitung sind, solltest du Folgendes in Betracht ziehen: Die CPU ist das eine Teil, das in jedem Computer zu finden ist, unabhängig von Größe oder Verwendungszweck dieses Computers. Wenn du dies auf einem Smartphone, Laptop oder PC liest, verwendest du in diesem Moment eine CPU.

Was sind die Komponenten einer CPU?

Eine CPU ist eine komplexe elektronische Schaltung, die aus mehreren Schlüsselkomponenten besteht, welche Daten verarbeiten und Anweisungen ausführen. Die Hauptkomponenten einer CPU werden als nächstes angegeben.

Steuereinheit

Die Steuereinheit verwaltet die Befehlsverarbeitung und koordiniert den Datenfluss innerhalb der CPU und zwischen anderen Computerkomponenten. Sie verfügt über eine Befehlsdecoder-Komponente, welche die aus dem Speicher abgerufenen Befehle interpretiert und sie in Mikrooperationen umwandelt, die die CPU ausführen kann. Die Steuereinheit weist andere CPU-Komponenten an, die erforderlichen Operationen auszuführen.

Register

Register sind kleine Speicherorte mit hoher Geschwindigkeit innerhalb der CPU. Sie speichern Daten, an denen die CPU gerade arbeitet, und ermöglichen einen schnellen Zugriff auf Daten. Register bieten schnellere Zugriffszeiten als andere Speicherebenen wie RAM oder Cache-Speicher. CPUs haben verschiedene Arten von Registern, z. B.:

• Allzweckregister, die Betriebsdaten speichern
• Befehlsregister, die den aktuell verarbeiteten Befehl speichern
• Einen Programmzähler, der die Speicheradresse des nächsten abzurufenden Befehls speichert

ALU

Die arithmetische Logikeinheit (ALU) führt grundlegende arithmetische Operationen (Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division) und logische Operationen (UND, ODER und NICHT) mit Daten aus. Sie empfängt Daten aus Registern innerhalb der CPU, verarbeitet sie auf der Grundlage der Anweisungen der Steuereinheit und erzeugt das Ergebnis.

Speicherverwaltungseinheit

Abhängig von der CPU-Architektur kann es eine separate Busschnittstelleneinheit oder Speicherverwaltungseinheit geben. Diese Komponenten übernehmen speicherbezogene Aufgaben wie die Verwaltung der CPU- und RAM-Interaktion. Sie verwaltet auch den Cache-Speicher - eine kleine und schnelle Speichereinheit, die sich innerhalb der CPU befindet - und den virtuellen Speicher, den die CPU für die Datenverarbeitung benötigt.

Taktgeber

Die CPU ist auf ein Taktsignal angewiesen, um ihre internen Operationen zu synchronisieren. Der Taktgeber erzeugt einen stetigen Impuls mit einer bestimmten Frequenz, und diese Taktzyklen koordinieren den Ablauf der CPU. Die Taktrate wird in Hertz (Hz) gemessen und bestimmt, wie viele Befehle die CPU pro Sekunde ausführen kann. Moderne CPUs verfügen über variable Taktraten, die sich je nach Workload anpassen, um Leistung und Stromverbrauch in Einklang zu bringen.

Wie funktioniert eine CPU?

Computerprozessoren arbeiten mit anderen Hardwarekomponenten und Softwareprogrammen zusammen, um Daten zu verarbeiten und den Informationsfluss innerhalb elektronischer Geräte zu verwalten. Sie arbeiten typischerweise in Zyklen, wobei jeder Befehlszyklus aus drei Hauptschritten besteht.

Core-Prozessor-Zyklus

• Anweisungsabruf
  Die CPU ruft Befehle aus dem Speicher ab. Die Befehle sind Binärcodes, die bestimmte Aufgaben oder Operationen für die CPU darstellen. Die Steuereinheit interpretiert den Befehl und bestimmt die auszuführende Operation. Die Steuereinheit identifiziert auch die spezifischen CPU-Komponenten, die für die Aufgabe erforderlich sind.
• Anweisungsverarbeitung
  Die CPU führt die angegebene Operation mit den abgerufenen Daten aus. Sie führt mathematische Berechnungen, logische Vergleiche, Datenänderungen oder Datentransfers zwischen Registern oder Speicherorten durch.
• Ergebnisspeicherung
  Nach der Ausführung von Anweisungen muss die CPU möglicherweise die Ergebnisse im Speicher speichern oder bestimmte Register mit neuen Daten aktualisieren. Der Programmzähler (PC) wird aktualisiert, sodass er auf die Adresse des nächsten abzurufenden Befehls verweist. Die CPU wiederholt den Zyklus und ruft Befehle nacheinander auf, dekodiert und führt sie aus.

Kerne und Threads

Während in der Vergangenheit ein Single-Core-Prozessor Standard war, verfügen heute alle CPUs über mehrere physische Kerne. Ein Kern ist eine einzelne Verarbeitungseinheit innerhalb einer CPU. Mehr Kerne ermöglichen es der CPU, mehrere Threads (Befehlssequenzen) parallel zu verarbeiten, wodurch die Gesamtleistung erheblich verbessert wird. Anwendungen können das Multicore-Design nutzen, indem sie Aufgaben in kleinere Unteraufgaben aufteilen, die gleichzeitig erledigt werden können.

Video

Anmerkung: "Hyper-Threading" ist Intels Marketingbegriff für eine Technik mit dem Namen Simultaneous Multithreading (SMT). Diese Technik erlaubt es einem einzelnen physischen Prozessorkern, mehrere Threads gleichzeitig auszuführen, wie im Video erklärt wird. Die Grundidee (SMT) wurde aber schon vorher in der Wissenschaft diskutiert und nicht von Intel erfunden. Intel war jedoch der erste große Anbieter, der SMT massentauglich gemacht und vermarktet hat. Heutzutage verwenden alle großen CPU Anbieter (AMD, Apple, IBM) diese Technik, auch wenn sie von Unternehmen zu Unternehmen anders implementiert wird.