Aufgabe 1: Unter der Aufgabenstellung findet ihr Informationen zum Thema der CPU, eure Aufgabe ist es, Informationen, die ihr als wichtig erachtet, aus dem Text und dem Video zu entnehmen. Vermerkt eure Notizen entweder auf der Mindmap oder auf einem Extrablatt, falls nicht genug Platz vorhanden ist.
Diese Leitfragen können euch helfen, nach anfänglichen Informationen im Text oder den Videos zu suchen.
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 du immer noch nicht davon überzeugt sind, wie wichtig CPUs für die Datenverarbeitung sind, sollten 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, die 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, die 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 den schnellen Zugriff auf Daten. Register bieten schnellere Zugriffszeiten als andere Speicherebenen wie RAM oder Cache-Speicher.
CPUs haben verschiedene Arten von Registern, z. B.:
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 Betrieb 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 drei Hauptschritte darstellt.
Core-Prozessor-Zyklus
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 Marketing Begriff 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.
Video