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Prozessoren

Das Herzstück jedes Rechners

15.10.2010
Megahertz, Gigahertz, Single- und Dual-Core-Prozessoren, i386 oder AMD64? Viele Begriffe im Dunstkreis moderner Prozessoren sorgen für reichlich Verwirrung. Wir erklären die Grundlagen.

Was passiert, wenn Sie per Mausklick ein Programm starten? Auf einem modernen Betriebssystem ungefähr das Folgende: Der Kernel, also der Betriebssystem-"Kern", lädt die ausführbare Programmdatei und einige weitere Daten in den Hauptspeicher und erzeugt daraus einen so genannten Prozess. Im Speicher liegt nun eine Reihe von Instruktionen oder Kommandos, aus denen sich das Programm zusammensetzt. Der Kernel weiß, wie viele Prozessoren Sie haben und lässt diese das Programm abarbeiten. "To process" heißt auf Deutsch auch "bearbeiten": Der Prozessor schnappt sich eine Anweisung nach der anderen und führt sie aus.

Ein Prozessor ist ein Chip, der meist auf der Hauptplatine des Rechners sitzt. In Ihrem Computer gibt es mehrere Prozessoren. Derjenige, der mit der allgemeinen Bezeichnung "Prozessor" üblicherweise gemeint ist, ist der "Hauptprozessor", die Central Processing Unit (CPU). Auch Grafikkarten sind mit Prozessoren ausgestattet, den Graphical Processing Units, (GPU). Sogar Netzwerkkarten oder Videokarten der gehobeneren Preislagen bringen eigene Prozessoren mit.

Wie Prozessoren funktionieren

Ein Prozessor besteht aus mehreren Komponenten. Die Register sind kleine Zwischenspeicher, welche die CPU für interne Berechnungen verwendet. Sie sind nicht zu verwechseln mit den L1-, L2- und L3-Caches. Daneben existiert das Rechenwerk, das die echte Rechenarbeit leistet und Befehle (engl. "instructions") ausführt. Es arbeitet mit dem Befehlsdecoder zusammen, der binäre Maschinenbefehle (aus denen alle Software besteht) versteht. Das Steuerwerk sorgt für die Abarbeitung der Anweisungen in richtiger Reihenfolge. Zusammen ergeben diese Komponenten jeweils einen Prozessorkern (engl. "core").

Zusätzlich zum Kern verfügen Prozessoren über weitere Komponenten. Eine davon ist die Einheit für die Speicherverwaltung, die Memory Management Unit (MMU). Sie ist direkt mit dem Arbeitsspeicher verbunden. Auch Datenleitungen hin zu anderen Komponenten existieren – eine verbindet den Prozessor mit dem Steuerbus für alle anderen Hardware-Komponenten. Dieser Steuerbus heißt Front Side Bus (FSB). Seine Geschwindigkeit ist ausschlaggebend dafür, wie schnell der Prozessor Daten mit anderen Komponenten (mit Ausnahme des RAMs) austauschen kann.

L1-, L2- und L3-Caches sind zusätzliche Zwischenspeicher in CPUs, die es ermöglichen, auf erst kürzlich verwendete Speicherinhalte erneut und wesentlich schneller zuzugreifen. Die drei Caches unterscheiden sich in Größe und Geschwindigkeit. L1 ist der kleinste aber schnellste Cache, L2 und L3 sind jeweils langsamer, dafür aber auch wesentlich größer (bis zu 256 MByte). L1- und L2-Caches besitzt meist jeder Prozessorkern separat. Gibt es mehrere Kerne auf einem Prozessor, teilen diese sich den L3-Cache.

Die Taktrate

Die Taktrate von Prozessoren ist ein klassischer Faktor beim Leistungsvergleich verschiedener CPUs. Sie wird in Hertz angegeben: Hertzzahlen geben Frequenzen an, also die Zahl sich wiederholender Operationen in einer Sekunde. Bei Prozessoren meint die Taktfrequenz die Zahl der möglichen Rechenoperationen pro Sekunde. Ein Prozessor mit einer Taktfrequenz von einem Gigahertz (1 GHz) schafft also eine Milliarde Operationen pro Sekunde.

Insbesondere bei modernen Prozessoren lässt die Taktfrequenz Rückschlüsse auf die tatsächliche Geschwindigkeit nicht mehr direkt zu. Denn neben der reinen Taktfrequenz spielen eine Vielzahl anderer Faktoren eine Rolle. Soll die Rechenleistung angegeben werden, kommt dabei meistens die Einheit FLOPS (Floating Point Operations per Second, Gleitkommazahl-Operationen pro Sekunde) zum Einsatz, die sich aus Benchmarks ergibt.

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