Wie der Prozessor arbeitet
Wir haben den Prozessor als Bestandteil eines Computers bereits kennengelernt. Der Prozessor ist für die Verarbeitung von Daten zuständig. Er überwacht und steuert ausserdem den Ablauf von Programmen. In diesem Kapitel schauen wir uns an, was die Angaben auf einem Laptop-Sticker bedeuten – und wie ein Prozessor Befehl für Befehl abarbeitet.
1. Kenngrössen
Beim Kauf eines neuen Laptops sind viele Leute etwas überfordert, wenn es um die Konfiguration geht. Vielleicht bist auch du schon einmal vor einem Regal oder in einem Online-Shop gestanden und warst von den Angaben verwirrt. Beim Speicher kann man sich unter der Grösse noch etwas vorstellen, beim Prozessor steht aber zum Beispiel so etwas:
Intel i5 QuadCore 3.5 GHz
Vielleicht hast auch du einen Sticker auf dem Laptop, der ähnlich angeschrieben ist. Nehmen wir diese Angaben auseinander:
- «Intel» ist der Hersteller des Prozessors, also nur eine Marke. Eine bekannte Alternative ist «AMD».
- «i5» (oder auch «i7») ist die Modellbezeichnung. Bei AMD stünde hier zum Beispiel «Ryzen».
Bis jetzt war noch nichts dabei, was wirklich etwas über die Leistung des Prozessors aussagt. Das ändert sich jetzt.
Die Anzahl Kerne
«QuadCore» steht für die Anzahl Kerne – in diesem Fall 4 (quad = vier). Moderne Prozessoren sind nämlich aus mehreren Recheneinheiten (den Kernen) zusammengesetzt. Jeder Kern kann unabhängig von den anderen und vor allem gleichzeitig Aufgaben erledigen.
Stell dir ein Team aus vier Personen vor, die gleichzeitig und unabhängig voneinander arbeiten, plus eine Leitperson, die die Aufgaben verteilt und koordiniert. Genau so ist ein Prozessor ein Experte im Multitasking.
Generell gilt: Mehr Kerne sind besser. Aber die Anzahl der Kerne ist nicht alles …
Die Taktfrequenz
Die letzte Angabe ist eine Frequenz in Gigahertz, zum Beispiel «3.5 GHz». Hertz ist in der Physik die Einheit der Frequenz – sie gibt an, wie oft pro Sekunde etwas passiert. Auf den Prozessor bezogen heisst das: wie viele Arbeitsschritte (Takte) ein Kern pro Sekunde ausführen kann. Man nennt diese Angabe die Taktfrequenz.
Und jetzt wird es wichtig: «Giga» bedeutet Milliarde. Bei 3.5 GHz sind das also nicht etwa 3500, sondern
In der Team-Metapher gibt die Taktfrequenz an, wie schnell jede Person arbeitet. Auch hier gilt: mehr ist besser.
Spiel mit den beiden Werten und schau, wie sich Kerne und Takt zusammen auswirken:
Warum GHz allein nichts aussagt
Man könnte meinen, ein Prozessor mit mehr GHz sei immer schneller. So einfach ist es aber nicht:
- Nicht jede Aufgabe lässt sich aufteilen. Manche Programme können nur einen Kern nutzen – dann bringen zusätzliche Kerne nichts.
- Architektur zählt. Ein moderner Kern erledigt pro Takt oft mehr als ein alter. Ein neuer 3-GHz-Prozessor schlägt darum einen alten 3-GHz-Prozessor deutlich.
- Der Rest des Systems zählt mit. Ein schneller Zwischenspeicher (Cache), viel Arbeitsspeicher und eine schnelle SSD beeinflussen die gefühlte Geschwindigkeit oft stärker als das letzte halbe Gigahertz.
Die Angaben auf dem Sticker sind also nur ein grober Anhaltspunkt – kein vollständiges Leistungsurteil.
2. Die Von-Neumann-Architektur
Die Rechnerarchitektur beschreibt die interne Organisation eines Computers. Es gibt zwei verbreitete Architekturen, beide gegen Ende des Zweiten Weltkriegs entstanden, als die ersten elektronischen Computer entwickelt wurden:
- die Von-Neumann-Architektur
- die Harvard-Architektur
Der Hauptunterschied: Bei Von Neumann liegen Programme und Daten im selben Speicher, bei Harvard in getrennten Speichern. Wir konzentrieren uns auf die Von-Neumann-Architektur, weil sie heute in den meisten Computern – besonders bei PCs und Servern – Standard ist.
Eigenschaften und Komponenten
Der Mathematiker John von Neumann stellte 1945 eine Modellarchitektur vor, die bis heute als Grundlage für den Bau von Computern dient. Sie 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 selben Speicher abgelegt.
- Ein Programm besteht aus einer Abfolge einfacher Befehle.
- Zu jedem Zeitpunkt wird genau ein Befehl ausgeführt, der genau einen Datenwert ändern kann.
Ein Von-Neumann-Computer besteht aus vier Komponenten. Klick sie im Diagramm an, um zu sehen, wofür sie zuständig sind:
Steuert die Befehlsverarbeitung: Es holt die Befehle aus dem Speicher, dekodiert sie und löst die passenden Steuersignale an die anderen Komponenten aus.
Heute sind das Rechenwerk und das Steuerwerk normalerweise im Prozessor (englisch central processing unit, CPU) zusammengefasst. Alle Komponenten sind über ein Bussystem miteinander verbunden.
Das Bussystem
In der Informatik ist ein Bus ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Komponenten über einen gemeinsamen Übertragungsweg. Findet eine Übertragung zwischen zwei Komponenten statt, müssen die übrigen «schweigen» – sonst würden sie sich gegenseitig stören.
Warum überhaupt ein Bus? Er reduziert die Komplexität der Hardware. Ohne Bus müsste jede Komponente mit jeder anderen direkt verbunden werden – die Zahl der Leitungen explodiert. Mit einem Bus wird jede neue Komponente einfach einmal angeschlossen. Verschieb den Regler und beobachte den Unterschied:
Bei 5 Komponenten braucht man 10 direkte Verbindungen, aber nur 5 Bus-Anschlüsse. Kommt eine Komponente dazu, muss man sie beim Bus nur einmal anstöpseln – bei Direktverbindungen kämen 5 neue Leitungen dazu.
Der Von-Neumann-Zyklus
Die Komponenten arbeiten die Programme wie am Fliessband ab und folgen dabei stets demselben Ablauf, dem Von-Neumann-Zyklus. Er besteht aus drei Schritten, die sich für jeden Befehl wiederholen:
- Befehl laden: Die Adresse des nächsten Befehls im Programmzähler geht ans Speicherwerk. Der Befehl wird über den Datenbus ins Befehlsregister geladen. Anschliessend wird der Programmzähler um eins erhöht.
- Befehl dekodieren: Das Dekodierwerk übersetzt den Befehl aus dem Befehlsregister in Steuersignale an die verschiedenen Komponenten.
- Befehl ausführen: Die Steuersignale lösen die eigentliche Aktion aus – zum Beispiel eine Berechnung im Rechenwerk.
Klick dich durch den Zyklus und beobachte, was in jedem Schritt passiert:
Klicke auf «Zyklus starten». Der Prozessor arbeitet die Befehle wie am Fliessband immer in denselben drei Schritten ab.
3. Typische Befehle: ein Mini-Prozessor
Aber was sind eigentlich diese «Befehle», die der Prozessor abarbeitet? Ein einzelner Befehl ist immer etwas sehr Einfaches. Typische Beispiele:
LADE A– hole den Wert aus SpeicherzelleAin den Akkumulator (ein kleiner Zwischenspeicher im Rechenwerk).ADD A– addiere den Wert aus ZelleAzum Akkumulator.SPEICHERE A– schreibe den Akkumulator zurück in ZelleA.STOP– beende das Programm.
Erst die Abfolge vieler solcher Minibefehle ergibt ein nützliches Programm. Der folgende Mini-Prozessor rechnet 5 + 3 und legt das Ergebnis in Speicherzelle 6 ab. Führe das Programm Schritt für Schritt aus und beobachte Programmzähler, Befehlsregister und Akkumulator:
Dieses winzige Programm rechnet 5 + 3 und legt das Ergebnis in Zelle 6 ab. Klicke auf «Schritt ausführen» und verfolge, wie der Prozessor Befehl für Befehl arbeitet.
Teste dich selbst
Selbsttest: Wie der Prozessor arbeitet
Frage 1 von 5
Aufgaben
Löse die Aufgaben und überprüfe erst danach deine Lösung im Dropdown.
Aufgabe 1: Ein Prozessorkern läuft mit 2 GHz. Wie viele Takte führt er in einer Sekunde aus?
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Aufgabe 2: Nenne die drei Schritte des Von-Neumann-Zyklus in der richtigen Reihenfolge.
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- Befehl laden
- Befehl dekodieren
- Befehl ausführen
Aufgabe 3: Ein Computer hat 6 Komponenten, die alle direkt (ohne Bus) miteinander verbunden sein sollen. Wie viele Direktverbindungen braucht es?
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Aufgabe 4: Warum ist ein Prozessor mit 8 Kernen bei 3 GHz nicht automatisch doppelt so schnell wie einer mit 4 Kernen bei 3 GHz?
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Weil sich nicht jede Aufgabe auf mehrere Kerne verteilen lässt. Programme, die nur einen Kern nutzen können, laufen mit 8 Kernen gleich schnell wie mit 4. Ausserdem spielen Architektur, Cache und der übrige Speicher mit.
Aufgabe 5: Beim Mini-Prozessor oben stehen in Zelle 4 und Zelle 5 die Zahlen 7 und 2. Was steht nach dem Programm (LADE 4, ADD 5, SPEICHERE 6, STOP) in Zelle 6?
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Quellen
Inhalte und Ideen dieses Kapitels, insbesondere zur Von-Neumann-Architektur, orientieren sich (mit Anpassungen) an den Materialien des Gymnasiums Kirchenfeld.