Die Kernaufgaben einer CPU
Die Hauptaufgabe der CPU ist die Verarbeitung von Befehlen und die Steuerung des gesamten Datenflusses im System. Dieser Prozess läuft millionenfach pro Sekunde ab und wird in einem Zyklus von vier grundlegenden Schritten, dem sogenannten Befehlszyklus, zusammengefasst:
1. Befehlsabruf (Fetch)
Die CPU ruft den nächsten Befehl aus dem Arbeitsspeicher (RAM) ab. Befehle liegen in Form von Binärcode (Nullen und Einsen) vor. Ein spezieller interner Zähler (der Programmzähler) hält die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls bereit.
2. Dekodierung (Decode)
Das Steuerwerk (Control Unit) der CPU interpretiert den abgerufenen Binärcode und entschlüsselt, welche Operation ausgeführt werden soll (z. B. Addition, Datentransfer, logischer Vergleich).
3. Ausführung (Execute)
Die eigentliche Rechenarbeit findet im Rechenwerk (Arithmetic Logic Unit, ALU) statt. Die ALU führt die mathematischen (arithmetischen) und logischen Operationen durch, die vom Steuerwerk angewiesen wurden. Hierzu gehören Additionen, Subtraktionen, Vergleiche (<, >, =) und logische Verknüpfungen (UND, ODER, NICHT).
4. Speichern (Writeback)
Das Ergebnis der Ausführung wird entweder in einem internen, extrem schnellen Speicherbereich (Register) abgelegt oder zurück in den Arbeitsspeicher (RAM) geschrieben. Anschließend wird der Programmzähler aktualisiert, um auf den nächsten Befehl zu verweisen, und der Zyklus beginnt von Neuem.
Weitere wichtige Funktionen
Neben dem primären Befehlszyklus übernimmt die CPU weitere entscheidende Rollen:
- Steuerung der Hardware: Die CPU koordiniert die Kommunikation zwischen allen anderen Komponenten im Computer (z. B. Grafikkarte, Festplatte, Ein- und Ausgabegeräte) über das sogenannte Bussystem.
- Speicherverwaltung: Die CPU verwaltet nicht nur den Zugriff auf den RAM, sondern nutzt auch einen extrem schnellen Cache-Speicher direkt auf dem Chip, um häufig benötigte Daten sofort verfügbar zu haben und die langsame Wartezeit auf den RAM zu überbrücken.
- Priorisierung (Scheduling): Sie entscheidet, welche der vielen gleichzeitig laufenden Aufgaben (Prozesse und Threads) als Nächstes verarbeitet wird, um eine reibungslose und effiziente Systemleistung zu gewährleisten.
Die wichtigsten CPU-Typen
Moderne Prozessoren unterscheiden sich stark in ihrer Architektur und ihrem Einsatzzweck. Die wichtigsten Unterscheidungen basieren auf der Anzahl der Kerne und der zugrundeliegenden Architektur (Befehlssatz).
1. Nach Einsatzzweck und Kernanzahl
| Typ | Merkmale | Typische Anwendung |
| Desktop-CPUs (Intel Core i / AMD Ryzen) | Hohe Taktfrequenz, viele Kerne (bis zu 24 oder mehr), gute Balance zwischen Leistung und Preis. | Privat-PCs, Gaming, Content Creation, Workstations. |
| Server-CPUs (Intel Xeon / AMD EPYC) | Sehr hohe Kernanzahl (oft 64, 96 oder mehr), Fokus auf Multithreading und Datenbankverarbeitung, Unterstützung von viel RAM. | Rechenzentren, Cloud-Dienste, Großrechner. |
| Mobile-CPUs (Intel Core U/P/H-Serie / AMD Ryzen Mobile) | Fokus auf Energieeffizienz und geringe Wärmeentwicklung, meist weniger Kerne als Desktop-CPUs. | Laptops, Ultrabooks. |
| SoC (System-on-a-Chip) | CPU, GPU, Arbeitsspeicher und andere Komponenten (z. B. WLAN-Controller) sind auf einem einzigen Chip integriert. | Smartphones (Apple A-Serie, Qualcomm Snapdragon), Tablets, Smart-Geräte. |
2. Nach Architektur (Befehlssatz)
Die Prozessorarchitektur bestimmt, wie die CPU Befehle verarbeitet. Hier dominieren zwei große Konzepte:
A. x86-64 (CISC-basiert)
- Merkmale: Steht für Complex Instruction Set Computer. Die x86-Architektur (auch als AMD64 oder Intel 64 bezeichnet) ist seit Jahrzehnten der Standard für Desktop-PCs und Server. Sie verwendet komplexe Befehle, die viele Schritte in einem einzelnen Kommando zusammenfassen.
- Hersteller: Intel (Core i-Serie, Xeon) und AMD (Ryzen, EPYC).
- Anwendung: Hauptsächlich Desktop-Computer, Laptops, Workstations und Server.
B. ARM (RISC-basiert)
- Merkmale: Steht für Reduced Instruction Set Computer. ARM-Prozessoren arbeiten mit einem reduzierten, einfacheren Befehlssatz, der schneller und energieeffizienter abgearbeitet werden kann. Sie sind darauf optimiert, bei geringem Stromverbrauch eine hohe Leistung zu erzielen.
- Hersteller: Die Architektur wird lizenziert (z. B. an Apple für M-Chips, Qualcomm für Snapdragon, Samsung).
- Anwendung: Smartphones, Tablets, Embedded Systems, IoT-Geräte und zunehmend auch Laptops und Desktop-PCs (z. B. Apple Silicon Macs).
