Wir haben den Prozessor als Bestandteil eines Computers bereits kennengelernt. Der Prozessor ist für die Verarbeitung von Daten im Computer zuständig. Er überwacht und steuert ausserdem den Ablauf von Programmen.

1. Kenngrössen

Beim Kauf eines neuen Laptops sind viele Leute etwas überfordert wenn es um die Konfiguration geht. Vielleicht standen auch Sie schon einmal vor einem Regal oder Online-Shop und waren etwas überfordert von den Angaben. Beim Speicher kann man sich unter der Grösse noch etwas vorstellen, beim Prozessor steht aber zum Beispiel so etwas: Intel i5 QuadCore 3.5Ghz

Vielleicht hast auch du einen Sticker auf dem Laptop, der mit so etwas ähnlichem angeschrieben ist. Wir nehmen diese Angaben mal etwas auseinander:

"Intel" Ist der Hersteller des Prozessors, also nur eine Marke. Alternativ gibt es noch die Marke "AMD". "i5" (oder auch "i7") ist die Bezeichnung des Modells. Bei AMD könnte "Ryzen" stehen.

Bis jetzt war noch nichts dabei, was wirklich etwas über die Performanz des Prozessors aussagt.

"QuadCore" steht für die Anzahl Kerne. In diesem Fall sind es 4 (Quad).
Moderne Prozessoren sind eigentlich eine Zusammensetzung von mehreren Recheneinheiten (=Kerne). Jeder Kern kann unabhängig von den anderen (und vor Allem gleichzeitig!) Aufgaben erfüllen. Der Prozessor überwacht die einzelnen Kerne und verteilt die Aufgaben. Man kann sich das also vorstellen wie ein Team mit 4 Personen, welche gleichzeitig und unabhängig Aufgaben erledigen und einer Leit-Person, die die Aufgaben verteilt und koordiniert. Ein Prozessor ist also Experte im Multitasking.

Generell gilt: Mehr Kerne ist besser. Die Anzahl der Kerne ist aber nicht alles...

Die letzte Information ist eine Angabe in "Gigahertz", also zum Beispiel "3.5Ghz". Hertz ist in der Physik eine Angabe einer Frequenz. Es gibt also an, wie oft pro Sekunde etwas passiert. Auf den Prozessor bezogen ist es lediglich eine Angabe, wie viele Berechnungen ein Kern pro Sekunde ausführen kann. Bei 3.5Ghz währen das also 3500 pro Sekunde. Diese Angabe nennt man auch Taktfrequenz.

Wenn wir bei der Team-Metapher bleiben gibt die Taktfrequenz also an, wie schnell die Mitarbeiter:innen arbeiten können. Auch hier gilt: Mehr ist besser.

2. Die Von-Neumann Architektur

Die Rechnerarchitektur beschreibt die interne Organisation eines Computers. Es gibt zwei verbreitete Architekturen. Beide sind gegen Ende des zweiten Weltkriegs entstanden, als die ersten elektronischen Computer entwickelt worden sind:

• Von Neumann-Architektur
• Harvard-Architeketur

Von Neumann-Architektur

Der Mathematiker John von Neumann hat 1945 eine Modellarchitektur für Computer vorgestellt, welche bis heute als Grundlage für die Entwicklung von Computern dient.

Die Von-Neumann-Architektur hat folgende Eigenschaften:

• Die Maschine ist nicht auf eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten.
• Zur Lösung einer Aufgabe dient ein austauschbares Programm.
• Programme und Daten werden im Speicher abgelegt
• Ein Programm besteht aus einer Abfolge von einfachen Befehlen.
• Zu jedem Zeitpunkt wird genau ein Befehl ausgeführt, der genau einen Datenwert ändern kann.

Ein Von-Neumann-Computer besteht aus folgenden Komponenten:

• Das Rechenwerk führt numerische und logische Berechnungen durch.
• Das Steuerwerk steuert die Befehlsverarbeitung im Computer.
• Das Speicherwerk speichert Befehle und Daten.
• Das Ein- und Ausgabewerk dient der Kommunikation mit der Aussenwelt.

Heute sind das Rechenwerk und das Steuerwerk normalerweise im Prozessor (engl. central processing unit, CPU) zusammengefasst. Alle Komponenten sind über ein Bussystem miteinander verbunden.

Weit verbreitet

Die Von-Neumann-Architektur ist heute in den meisten Computern Standard – insbesondere bei PCs und Servern.

Das Bussystem

In der Informatik ist ein Bus ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Komponenten über einen gemeinsamen Übertragungsweg. Findet eine Datenübertragung zwischen zwei Komponenten statt, so müssen die übrigen Komponenten schweigen, da sie sich sonst gegenseitig stören würden.

Datenübertragung mit Bus:

Datenübertragung ohne Bus / Über direkte Verbindungen

Busse werden verwendet, um die Komplexität der Hardware zu reduzieren. Durch Busse werden weniger direkte Verbindungen benötigt. Wenn im Bild oben eine fünfte Komponente hinzukommt, müssen fünf neue Datenleitungen gezogen werden. Wenn ein Bus verwendet wird, muss eine neue Komponente nur am Bus angeschlossen werden.

Der Von-Neumann Zyklus

Wir haben in der letzten Aufgabe gelernt, welche Komponenten im Prozessor eines Von-Neumann Rechners vorhanden sind.

Die Komponenten arbeiten wie am Fliessband die Programme ab und folgen dabei stets dem selben Ablauf: Dem Von-Neumann Zyklus:
![[Pasted image 20250804124225.png]]

**1. Befehl Laden

Der nächste Befehl wird aus dem Speicher in das Befehlsregister geladen. Dazu wird die Adresse des nächsten Befehls vom Programmzähler an das Speicherwerk übertragen. Der Befehl wird aus dem Speicher über den Datenbus in das Befehlsregister übertragen. Anschliessend wird der Programmzähler um eins erhöht. ![[Pasted image 20250804124257.png]]

2. Befehl dekodieren
Nun wird der Befehl, welcher in das Befehlsregister geladen worden ist, decodiert. Das bedeutet, dass das Dekodierwerk die Aktionen, welche für diesen Befehl ausgeführt werden müssen, in Steuersignale an die verschiedenen Komponenten übersetzt.
![[Pasted image 20250804124343.png]]

3. Befehl ausführen
Schliesslich wird der eigentliche Befehl ausgeführt, indem das Dekodierwerk die Steuersignale an die Komponenten auslöst. Im nächsten Abschnitt werden einige typische Befehle erläutert.

Quellen

Inhalte und Bilder dieses Kapitels, insbesondere Kapitel 2, wurden zu grossen Teilen (mit kleinen Anpassungen) von den Inhalten des Gymnasium Kirchenfeld übernommen.