CPU

Der Hauptprozessor (englisch Central Processing Unit, oder kurz CPU, im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor bezeichnet, ist der zentrale Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuert.

Der Begriff CPU wird umgangssprachlich auch in anderem Kontext für Zentraleinheit (ZE) benutzt, hierbei kann dies für einen zentralen Hauptrechner (ein kompletter Computer) stehen, an dem einzelne Terminal-Arbeitstationen angeschlossen sind. Teilweise wird der Begriff auch in Zusammenhang mit Computerspielen als Synonym für die KI verwendet ("Ein Spiel gegen die CPU").

CPUs wurden zuerst aus Relais aufgebaut wie z. B. bei der Zuse Z3, gefolgt von Elektronenröhren wie beim Eniac. In den 1950er Jahren wurden die unzuverlässigen Elektronenröhren von Transistoren verdrängt, die zudem den Stromverbrauch der Computer senkten. Mit der Verfügbarkeit von Integrierten Schaltungen konnten die Hauptprozessoren weiter verkleinert werden, die CPU konnte bald in einem einzelnen Schaltschrank untergebracht werden, was zum Begriff Mainframe, also „Hauptrahmen“, bzw. „Hauptschrank“ führte. Im nächsten Schritt passte die CPU auf eine einzelne Platine in so einem Schrank, es gab dann erste Rechner mit mehreren CPUs nebeneinander.

Die weiter steigende Integrationsdichte führte dazu, dass Anfang der 1970er Jahre erste Hauptprozessoren gebaut wurden, die auf einem einzelnen Chip Platz hatten, der Microprozessor. Anfangs noch wegen ihrer vergleichsweise geringen Leistungsfähigkeit belächelt (der Legende nach soll ein IBM-Ingenieur über den ersten Microprozessor gesagt haben: "Nett, aber wozu soll das gut sein?"), haben Microprozessoren heute alle vorangegangenen Techniken für den Aufbau eines Hauptprozessors abgelöst.

Eine CPU besteht prinzipiell aus den Funktionsgruppen Register, Recheneinheit (ALU - Arithmetic Logic Unit), Befehlsdecoder und Adresseinheit.

Die Adresseinheit ist dafür zuständig, Daten und Befehle aus dem Speicher zu lesen oder in diesen zu schreiben. Befehle werden vom Befehlsdecoder verarbeitet, der die anderen Einheiten entsprechend steuert. In den Registern werden Daten für die unmittelbare Verarbeitung gespeichert, gegenüber dem Speicher ist der Zugriff auf Daten in den internen Registern meist erheblich schneller.

In modernen CPUs finden sich meist sehr viel feiner unterteilte Funktionseinheiten sowie mehrfach ausgeführte Einheiten, die das gleichzeitige Abarbeiten mehrerer Befehle erlauben.

Die beiden wesentlichen Grundarchitekturen für CPUs sind die Von-Neumann- und die Harvard-Architektur.

Bei der nach dem Mathematiker John von Neumann benannten Von-Neumann-Architektur gibt es keine Trennung zwischen dem Speicher für Daten und Programmcode. Dagegen sind bei der Harvard-Architektur Daten und Programm in strikt voneinander getrennten Speicher- und Adressräumen abgelegt.

Beide Architekturen haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Die Von-Neumann-Architektur ist aus der Sicht des Programmierers einfacher zu handhaben, und die Möglichkeit, auf Programmcode wie auf Daten zuzugreifen, ermöglicht selbstmodifizierenden Code. Andererseits kann diese Selbstmodifikation auch durch Programmfehler zu noch größeren Fehlern führen. Durch die Trennung in zwei physikalische Speicher hat die Harvard-Architektur potenziell eine höhere Leistungsfähigkeit, da Daten- und Programmzugriffe parallel erfolgen können; nachteilig ist dagegen, dass nicht benutzter Speicher in einer Klasse nicht für die andere Klasse genutzt werden kann.

Aktuell basieren fast alle verwendeten CPUs auf der Von-Neumann-Architektur, es gibt jedoch Ausnahmen besonders im Bereich der Microcontroller, und es gibt Mischformen. So ist es nicht unüblich, dass eine CPU intern dem Harvard-Prinzip ähnelt, um mit möglichst vielen parallelen Datenpfaden eine hohe Leistung zu erzielen, extern aber einen gemeinsamen Speicher nutzt.

Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Halbleitertechnik entstanden CPUs mit immer komplexeren Befehlssätzen. Das führte dazu, dass die Befehlseinheiten der CPUs zu einem Engpass wurden. Diese Art von Befehlssätzen werden als CISC oder "Complex Instruction Set Computing" bezeichnet. In den 1980er Jahren entstand als Reaktion darauf das RISC-Konzept, bei dem die Zahl der Befehle reduziert wurde, die Befehlseinheit deutlich vereinfacht werden konnte und dadurch schneller arbeiten kann.

Bei aktuellen CPUs ist die Unterscheidung zwischen RISC und CISC kaum noch möglich. Die weit verbreitete x86-Architektur als typischer Vertreter der CISC-Klasse ist intern eigentlich längst eine RISC-Architektur, die die komplexeren Befehle quasi emuliert.


Eine weitere Art von Befehlen sind VLIW. Dort werden mehrere Instruktionen in einem Wort zusammengefasst. Dadurch ist von Anfang an definiert, auf welcher Einheit welche Instruktion läuft. Out-of-Order-Ausführung, wie sie in modernen Prozessoren zu finden ist, gibt es bei dieser Art von Befehlen nicht.

Im Laufe von immer höheren Integrationsdichten der Halbleiterbausteine haben die Entwickler von CPUs weitere Funktionen in die Hardware integriert. Dadurch wurden die CPUs immer leistungsfähiger, insbesondere bekamen die meisten CPUs weitere Befehle implementiert, um umfangreiche Berechnungen zu vereinfachen.

Zu den Einheiten, die früher als separate Chips angeschlossen werden mussten und im Laufe der Zeit in die CPU selbst integriert werden konnten, zählen:

die Memory Management Unit zur Speicherverwaltung;

der numerische Coprozessor für schnellere Rechenoperationen;

Cache-Speicher, zuerst nur der Level 1, heute auch schon zusätzlich Level 2;

manchmal der Chipsatz (oder Teile davon) zur Ansteuerung des RAMs;

manchmal ein Grafikchip zur Anzeigesteuerung;

mehrere solcher kompletter Prozessorkerne zusammen integriert (Mehrkernprozessor, mit Doppel- oder Quad-Kern, in Kürze 8-fach).

Das hat mit dem praktischen Problem der Hardwareentwicklung zu tun, dass man heutzutage wirtschaftlich in der Größenordnung von 1 Milliarde Transistorfunktionen auf einem einzigen Chip unterbringen kann. Es wäre unwirtschaftlich, dies nicht auszunutzen, also muss man solche sinnvolle Verwendungen dafür finden.

Auf der anderen Seite haben ältere CPUs und Mikrocontroller häufig nur wenige Register und einen eingeschränkten Befehlssatz (die komplexesten Operationen sind zum Teil Addition und Subtraktion). Für einfache Anwendungen (z. B. Steuerung einer einfachen Maschine) reicht diese Komplexität jedoch aus, da sich alle anderen Funktionen allein durch die Addition und Subtraktion implementieren lassen (z. B. Multiplikation durch mehrmaliges Addieren).

Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinander liegenden Schichten von dotiertem Silizium, welches Millionen von Transistoren bildet, und deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.

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