Die CPU
Als CPU (Central Processing Unit) bezeichnet man den Prozessor in einem Computersystem, der die Berechnung und Verarbeitung der Daten ausführt.
Die fortschreitende Miniaturisierung sorgt dafür, dass die Prozessoren immer schneller und leistungsfähiger werden. Gigantische Gebilde aus der Anfangszeit der Computertechnik, die durchaus die Ausmaße einer kleinen Turnhalle annehmen konnten, können nun bei gleicher Leistungsfähigkeit auf dem Chip der Größe eines Reiskorns untergebracht werden.
Gleichzeitig wird der Aufbau eines Prozessors immer komplexer, da eine Menge an Hardware mit auf dem Chip des Prozessors integriert werden kann. Diesbezüglich spielt der Begriff System on a Chip (SoC) in der Mikrocontroller-Technik eine wichtige Rolle
Die CPU vereinigt die wichtigsten Komponenten eines Prozessors auf einem Chip. Dazu zählen die ALU und die CU. Daneben auch verschiedene Bus-Systeme und Register. Je nach Prozessor noch zahlreiche weitere Hardware-Komponenten.
Die ALU
Die Triebfeder für die Entwicklung von Computern war die Entwicklung einer Maschine, die Rechnungen schnell und fehlerfrei ausführen kann. Bei der Simulation von Systemen steht man beispielsweise vor dem Problem, dass für die Lösung eine große Anzahl immer wiederkehrender Rechenschritte benötigt wird. Die Idee war es also, eine programmierbare Rechenmaschine zu entwickeln, die diese eintönige Rechenarbeit fehlerfrei erledigt. Wenn man einmal versucht, die Wurzel aus 2 ohne elektronische Hilfsmittel auf 5 Nachkommastellen zu berechnen, wird einem der Vorteil einer solchen Maschine schnell klar.
Die Zentrale Einheit einer solchen Rechenmaschine ist natürlich das Rechenwerk selbst.
Als Teil einer CPU wird dieses als ALU (Arithmetic Logic Unit) bezeichnet.
Die minimalen Anforderungen, die eine ALU können muss, bestehen aus der Addition zweier Ganzzahlen sowie aus den logischen Grundverknüpfungen UND, ODER, NICHT.
Moderne ALUs können mehr. Neben der Multiplikation und Fließkomma-Verarbeitung sind weitere logische Verknüpfungen sowie Bitschiebe-Operationen integriert.
Die Bit-Breite einer ALU gibt an, wie viele binäre Einheiten gleichzeitig verarbeitet werden können. Moderne ALUs sind 64 Bit breit, d.h. sie können zwei Zahlen mit einer Länge von 64 Bit in einem Schritt verarbeiten.
Die ALU muss natürlich mit den Informationen versorgt werden, die sie verarbeiten soll.
Im Falle einer 8 Bit breiten ALU müssen dazu an jedem Eingang und am Ausgang je 8 elektrische Leitungen vorhanden sein, die mit den entsprechenden elektrischen Logikpegeln versorgt werden müssen.
Dazu liegen je 8 elektrische Leitungen parallel und bilden einen Bus. Dieser wird auch als Datenbus bezeichnet.
Zusätzlich muss der ALU mitgeteilt werden welche Rechenoperation sie durchführen soll. Auch dies wird durch elektrische Signale bewerkstelligt. Die Leitungen, die dazu benötigt werden, bilden zusammengefasst einen Teil vom Steuerbus.
Die CU
Damit die ALU funktionieren kann muss sie mit Daten versorgt und gesteuert werden. Diese Aufgabe besteht in einer wahren Choreographie von Bits und elektrischen Signalen, wobei das Timing eine herausragende Rolle spielt.
Die Steuerung der ALU und aller nötigen Komponenten übernimmt im Prozessor das Steuerwerk. Dieses wird als CU (Control Unit) bezeichnet.
Register
Register sind (schnelle) Zwischenspeicher, die direkt auf der CPU liegen und mit deren Komponenten verbunden sind.
Solche Zwischenspeicher werden benötigt, da es unmöglich ist, alle Zellen im Speicher des Computersystems direkt mit der CPU zu verbinden. Die Daten aus dem Arbeitsspeicher des Computersystems müssen zunächst in die benötigten Register gelesen werden. Erst dann kann die ALU eine Rechenoperation ausführen. Das Ergebnis wird ebenfalls in einem Register zwischengespeichert. Danach wird das Ergebnis in den Arbeitsspeicher des Computersystems geschrieben.