Hardware

Was ist eine CPU und was macht sie?


Iaroslav Neliubov/Shutterstock

Der wichtigste Teil Ihres Computers, wenn Sie nur einen auswählen müssten, wäre die Zentraleinheit (CPU). Es ist der primäre Hub (oder „Gehirn“) und verarbeitet die Anweisungen, die von Programmen, dem Betriebssystem oder anderen Komponenten Ihres PCs stammen.

1er und 0er

Dank leistungsstärkerer CPUs sind wir von der Möglichkeit, ein Bild auf einem Computerbildschirm anzuzeigen, zu Netflix, Video-Chat, Streaming und immer lebensechteren Videospielen gesprungen.

Die CPU ist ein Wunderwerk der Ingenieurskunst, aber im Kern beruht sie immer noch auf dem Grundkonzept der Interpretation binärer Signale (1er und 0er). Der Unterschied besteht nun darin, dass moderne CPUs anstelle von Lochkarten lesen oder Anweisungen mit Vakuumröhren verarbeiten, winzige Transistoren verwenden, um TikTok-Videos zu erstellen oder Zahlen in eine Tabellenkalkulation auszufüllen.

Die Grundlagen der CPU

Die Intel Core i3-, i5- und i7-Logos.
Intel

Die CPU-Herstellung ist kompliziert. Der wichtige Punkt ist, dass jede CPU über Silizium verfügt (entweder ein Stück oder mehrere), in dem Milliarden von mikroskopisch kleinen Transistoren untergebracht sind.

Wie bereits erwähnt, verwenden diese Transistoren eine Reihe von elektrischen Signalen (Strom „ein“ und Strom „aus“), um den binären Maschinencode darzustellen, der aus Einsen und Nullen besteht. Da es so viele dieser Transistoren gibt, können CPUs immer komplexere Aufgaben mit höherer Geschwindigkeit als zuvor erledigen.

Die Transistoranzahl bedeutet nicht unbedingt, dass eine CPU schneller ist. Es ist jedoch immer noch ein wesentlicher Grund, warum das Telefon, das Sie in Ihrer Tasche tragen, viel mehr Rechenleistung hat als vielleicht der gesamte Planet, als es war wir waren zuerst auf dem mond.

Bevor wir die konzeptionelle Leiter der CPUs weiter nach oben gehen, lassen Sie uns darüber sprechen, wie eine CPU Befehle basierend auf Maschinencode ausführt, den sogenannten „Befehlssatz“. CPUs verschiedener Firmen können unterschiedliche Befehlssätze haben, aber nicht immer.

Die meisten Windows-PCs und aktuelle Mac-Prozessoren verwenden beispielsweise die x86-64-Befehlssatz, egal ob es sich um eine Intel- oder AMD-CPU handelt. Macs, die Ende 2020 auf den Markt kommen, werden jedoch über ARM-basierte CPUs verfügen, die einen anderen Befehlssatz verwenden. Es gibt auch eine kleine Anzahl von Windows 10-PCs, die ARM-Prozessoren verwenden.

VERBUNDEN: Was ist Binär und warum verwenden Computer es?

Kerne, Caches und Grafiken

Ein Diagramm von Intel Silicon, wobei die Kerne und andere Abschnitte der CPU beschriftet sind.
Intel

Schauen wir uns nun das Silizium selbst an. Das obige Diagramm stammt aus einem 2014 veröffentlichten Whitepaper von Intel über die CPU-Architektur des Unternehmens für die Core i7-4770S. Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie ein Prozessor aussieht – andere Prozessoren haben unterschiedliche Layouts.

Wir können sehen, dass es sich um einen Vierkernprozessor handelt. Es gab eine Zeit, in der eine CPU nur einen einzigen Kern hatte. Da wir jetzt mehrere Kerne haben, verarbeiten sie Anweisungen viel schneller. Kerne können auch Hyper-Threading oder Simultan-Multi-Threading (SMT) haben, wodurch ein Kern für den PC wie zwei erscheinen lässt. Dies trägt, wie Sie sich vorstellen können, dazu bei, die Bearbeitungszeiten noch weiter zu verkürzen.

Die Kerne in diesem Diagramm teilen sich einen sogenannten L3-Cache. Dies ist eine Form von Onboard-Speicher innerhalb der CPU. CPUs haben auch L1- und L2-Caches, die in jedem Kern enthalten sind, sowie Register, die eine Form von Low-Level-Speicher sind. Wenn Sie die Unterschiede zwischen Registern, Caches und System-RAM verstehen möchten, lesen Sie hier diese Antwort auf StackExchange.

Die oben gezeigte CPU enthält auch den Systemagenten, den Speichercontroller und andere Teile des Siliziums, die Informationen verwalten, die in die CPU ein- und ausgehen.

Schließlich gibt es noch die Onboard-Grafik des Prozessors, die all die wunderbaren visuellen Elemente erzeugt, die Sie auf Ihrem Bildschirm sehen. Nicht alle CPUs verfügen über eigene Grafikfunktionen. AMD Zen Desktop-CPUs benötigen beispielsweise eine separate Grafikkarte, um alles auf dem Bildschirm anzuzeigen. Einige Intel Core Desktop-CPUs enthalten auch keine Onboard-Grafik.

Die CPU auf dem Mainboard

Eine CPU im Mainboard-Sockel ohne aufgesetzten Kühler.
yishii/Shutterstock

Nachdem wir uns nun angeschaut haben, was unter der Haube einer CPU vor sich geht, schauen wir uns an, wie sie sich in den Rest Ihres PCs integriert. Die CPU sitzt in einem sogenannten Sockel auf dem Motherboard Ihres PCs.

Sobald es im Sockel sitzt, können andere Teile des Computers über sogenannte „Busse“ mit der CPU verbunden werden. RAM beispielsweise ist über einen eigenen Bus mit der CPU verbunden, während viele PC-Komponenten einen bestimmten Bustyp verwenden, der als „PCIe“ bezeichnet wird.

Jede CPU verfügt über einen Satz von „PCIe-Lanes“, die sie verwenden kann. AMDs Zen-2-CPUs haben beispielsweise 24 Lanes, die direkt mit der CPU verbunden sind. Diese Lanes werden dann von den Motherboard-Herstellern unter Anleitung von AMD aufgeteilt.

Beispielsweise werden typischerweise 16 Lanes für einen x16-Grafikkartensteckplatz verwendet. Dann gibt es vier Lanes für die Speicherung, beispielsweise ein schnelles Speichergerät wie eine M.2-SSD. Alternativ können diese vier Fahrspuren auch geteilt werden. Für die M.2-SSD könnten zwei Lanes verwendet werden und zwei für ein langsameres SATA-Laufwerk, wie eine Festplatte oder eine 2,5-Zoll-SSD.

Das sind 20 Lanes, wobei die anderen vier für den Chipsatz reserviert sind, der das Kommunikationszentrum und die Verkehrssteuerung für das Motherboard ist. Der Chipsatz verfügt dann über einen eigenen Satz von Busverbindungen, wodurch noch mehr Komponenten zu einem PC hinzugefügt werden können. Erwartungsgemäß haben die leistungsstärkeren Komponenten eine direktere Verbindung zur CPU.

Wie Sie sehen können, übernimmt die CPU den größten Teil der Befehlsverarbeitung und manchmal funktioniert sogar die Grafik (wenn sie dafür gebaut ist). Die CPU ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, Anweisungen zu verarbeiten. Andere Komponenten, wie die Grafikkarte, haben ihre eigenen Onboard-Verarbeitungsfunktionen. Die GPU nutzt auch ihre eigenen Verarbeitungsfunktionen, um mit der CPU zu arbeiten und Spiele auszuführen oder andere grafikintensive Aufgaben auszuführen.

Der große Unterschied besteht darin, dass Komponentenprozessoren mit Blick auf bestimmte Aufgaben entwickelt wurden. Die CPU ist jedoch ein Allzweckgerät, das jede beliebige Rechenaufgabe ausführen kann. Aus diesem Grund herrscht die CPU in Ihrem PC an erster Stelle, und der Rest des Systems ist darauf angewiesen, dass sie funktioniert.



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