Die allgemeine funktionsweise der cpu

Begriffsdefinitionen/ Prozessor:
Ein Prozessor ist eine Rechen- und Steuereinheit, die meistens als Bauteil in einem Computer wiederzufinden ist. Dort versteht und führt sie Anweisungen aus. Im Computer ist der Prozessor die Zentralrecheneinheit. Daher hat sie auch den engl. Namen CPU (central processing unit). Sie kann arithmetische und logische Berechnungen sowie Zeitverteilung und Kontrolle der Elemente (z.B. Peripheriegeräten usw.) des Systems übernehmen. Außerdem ist die CPU in der Lage, Befehle aus dem Speicher zu holen, sie zu entschlüsseln und dann auszuführen. Des weiteren überträgt sie Informationen von und zu anderen Ressourcen über den Hauptdatenweg des Computers, den Bus.
Alle Handlungen, die ein digitaler Prozessor durchführt basieren auf einer Operation: die Fähigkeit zwei Zustände zu unterscheiden und zwar an oder aus (d.h. ein Schalter oder Gatter ist geöffnet oder geschlossen), hohe oder niedrige Spannung oder bei Zahlen 0 oder 1. Dies sind zwar keine besonderen Fähigkeiten doch die Geschwindigkeit, in der dies bewältigt wird überzeugt.2



Flag:
Ein Flag (= Markierung) bezeichnet eine zweiwertige Variable im Arbeitsspeicher oder in einem Register. Sie dient als Hilfsmittel zur Kennzeichnung bestimmter Zustände. Ein Flag kann gesetzt, gelöscht oder ausgelesen werden.
Flags werden im Prozessor und bei der Programmierung vielfältig eingesetzt: ein Flag kennzeichnet z. B. bei arithmetischen Berechnungen den Übertrag oder den Überlauf. Mit der Einführung von Flags kann auch bei der Programmierung gearbeitet werden, um z.B. das Vorliegen einer Fehlerbedingung in einem Segment an ein anderes Programmsegment zu übermitteln.3


Register:
Als Register bezeichnet man insbesondere Bereiche innerhalb eines Prozessors, in denen diverse Parameter, Adressen, Operanden oder Zwischenergebnisse gespeichert werden.
Die Registerkapazität ist die Gesamtanzahl der Bits oder Bytes, die ein Register eines Mikroprozessors speichern kann.4



Arithmetik:
Die Arithmetik widmet sich mit dem praktischen Rechnen mit Zahlen. Im Gegensatz zur Algebra, die sich mit dem theoretischen Lösen und Untersuchen von Gleichungen befasst. Zum Gebiet der Arithmetik gehören die vier Grundrechenarten: Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division.5



Aufbau eines Prozessors

Der ungarisch - amerikanische Mathematiker John von Neumann stellte als erster fest, welche Teile ein Prozessor beinhalten muss, damit er digitale Informationen verarbeiten kann. Diese Aufstellung bezeichnet man als von Neumannsche Struktur. Diese Struktur findet auch heute noch Anwendung. Die meisten Mikroprozessoren und auch CPU - Chips setzten sich daher aus diesen vier funktionalen Teilen zusammen:

1. Das Rechenwerk, eine arithmetisch - logische Einheit (arithmetic logic unit) verhilft dem Chip zu seinen Rechenfähigkeiten und gestattet somit arithmetische und logische Operationen.

2. Das Speicherwerk besteht aus sogenannten Registern, das ist ein kurzzeitiger Speicherbereich, der Daten, Anweisungen und die Adressen im Speicher sowie Ergebnisse von Operationen aufnimmt.

3. Die Steuereinheit hat drei prinzipielle Aufgaben. Sie übernimmt die zeitliche Abstimmung und Regulierung des gesamten Computersystems. Der Anweisungsdekodierer, den sie besitzt, liest die verschiedenen Datenmuster der Register aus. Die Datenmuster werden dann in Aktionen umgesetzt wie beispielsweise Addieren oder Vergleichen. Nach diesem Vorgang bestimmt die Unterbrechungseinheit (interrupts) der Steuerung, in welcher Reihenfolge die einzelnen Arbeitsschritte die CPU in Anspruch nehmen und wie viel CPU-Zeit sie verbrauchen dürfen.

4. Der interne Bus, ein Netz von Kommunikationsleitungen, der die internen Ebenen miteinander verbindet und außerdem zu den Peripheriegeräten führt, die an den externen Anschlüssen angeschlossen sind.
Der Steuerbus besteht aus zwei Leitungen, von denen eine die Empfangssignale empfängt und die andere Steuersignale aus dem inneren CPU heraus leitet.
Der Adressbus ist eine unidirektionale Leitung vom Prozessor, der die Orte verwaltet an denen sich die Daten im Speicher befinden.
Der Datenbus besteht aus bidirektionalen Übertragungsleitungen, die Daten aus dem Speicher lesen und auch neue Daten in den Speicher schreiben.6




Funktionsweise

Um Aufgaben auszuführen, benötigt die CPU eine Einheit (den Steuerbus), und um Befehle zu interpretieren, die das Steuerwerk und das Rechenwerk ausführt, die ALU. Die ALU benötigt zur Ausführung der Befehle wiederum ein Speicherwerk für Adressen und Zwischenergebnisse (sogenannte Flagregister) sowie Zustände, d.h. der Rechner muss sich z.B. bei Rechnungen kurzzeitig Überträge und Vorzeichen merken können (in den sogenannten Zustandsregistern).

Der Befehlssatz ist eine vollständige Liste aller erkennbaren Schaltmuster - also die Liste aller Operationen, die ein Computer interpretieren kann. Wichtige Befehle sind:

Transferbefehle, die zum Transport von Daten zwischen den Registern dienen.

Arithmetische Befehle, die zur Ausführung einfacher Rechenoperationen wie z.B. Addition und Subtraktion dienen.

Logische Befehle für einfache logische Entscheidungen wie UND oder GLEICH.

Sprungbefehle dienen zur Realisierung von Programmsprüngen. Man verwendet sie deshalb für bedingte Operationen, also Befehlsketten, die nicht unbedingt ausgeführt werden. Sie sind für Wiederholungen in Programmteilen wichtig.

Der Befehlssatz eines Prozessors kann, je nach Einsatzgebiet des Prozessors, noch erweitert werden. Der mathematische Co-Prozessor, eng. Numeric processing unit (NPU) bzw. floating point processing unit (FPU), z.B. besitzt neben arithmetischen Befehlen auch noch Befehlssätze für z.B. Potenzieren, Radizieren. (um möglichst viele Nachkommastellen zu errechnen sog. Fließkomma-Operationen) Auch der Prozessor im Computer hat einen größeren Befehlssatz, z. B. spezielle Multimediabefehle. (MMX)


Ausführung einer einfachen Operation:
Zuerst wird die Bedingung und der Wert aus einem Speicherbereich im Arbeitsspeicher gelesen. Die Verwaltung der Adressen des Arbeitsspeichers tätigt der Programmzähler. (PC = programcounter) Er zeigt die Stelle für den Befehl, der als nächstes abgearbeitet werden soll. Das Steuerwerk interpretiert die Bedingung und gibt sie vereinfacht (als Befehl aus dem Befehlssatz) mit dem Wert an das Rechenwerk, die ALU. Außerdem teilt es ein, in welchen Schritten die ALU vorgehen soll. Falls bei der Operation ein Übertrag entsteht, wird dieser als Flag an das Steuerregister zurückgegeben. Die Zwischenergebnisse von der ALU werden in den temporären Registern, dem Hilfsakkumulator gespeichert. Das endgültige Ergebnis der Operation landet schließlich im Hauptregister, dem Akkumulator.




Zusammenfassung

Mit einem Prozessor kann man ein intern vorgegebenes oder extern vorgebbares Programm steuern. Arithmetische und logische Funktionen können ausgeführt und damit andere Einheiten eines Rechners gesteuert werden. Der Prozessor besteht aus folgende Einheiten: das Steuerwerk (es steuert die internen Abläufe), das Rechenwerk (alle arithmetischen und logischen Operationen finden hier statt), interne Register und Zähler usw. Die Zusammenführung aller Einheiten eines Prozessors als integrierter Schaltkreis (integrated circuit) auf einem Chip hat die Bezeichnung "Mikroprozessor".