Wie funktioniert der Prozessor (CPU)?

wie arbeitet der Prozessor eines Computers lassen Sie uns mal versuchen das zu verstehen damit wir nicht von Details abgelenkt werden gehen wir von einem stark vereinfachten Modell eines Computers aus bevor wir uns den Prozessor anschauen müssen wir erstmal sehen wie man Daten überhaupt in einem Computer abspeichert man nimmt dafür elektronische Schaltungen die zwei unterschiedliche Arten von Spannung besitzen mit diesen beiden unterschiedlichen Zuständen lassen sich Zahlen des dualsystems darstellen das Dualsystem hat ja auch nur zwei verschiedene Ziffern 0 und 1 notieren wir uns das an der Tafel mit elektronischen Schaltungen die zwei verschiedene Zustände darstellen also ein Binärsystem sind kann man Dualzahlen abbilden die nächste Frage wo speichert man Informationen im Computer ab dafür gibt es den sogenannten Arbeitsspeicher schauen wir uns mal so eine kleine Speichereinheit etwas genauer an sie besteht aus sogenannten Bits acht Bit werden als ein sogenanntes bite zusammengefasst ein bite ist die kleinste adressierbare Speichereinheit im Computer jedes einzelne bit hat eine Adresse mit der es erreicht werden kann lassen Sie uns das mal an der Tafel notieren Informationen werden im sogenannten Arbeitsspeicher abgespeichert acht Bits ergeben ein Bit und das ist die kleinste adressierbare Einheit so jetzt stellt sich nur noch die Frage wo werden die Berechnungen durchgeführt im Computer der ist ja ein Rechner zum Berechnen wird der sogenannte Prozessor verwendet das ist ja auch das Thema dieses Films schauen wir uns den mal genau an es gibt hier einen Befehlsregister einen Befehlszähler dann gibt's noch einen befehlsdecoder eine arithmetisch logische Einheit und einen sogenannten Akkumulator was diese einzelnen Bauteile tun sehen wir dann wenn wir uns die Arbeit des Prozessors Schritt für Schritt anschauen lassens uns jetzt mal überlegen welche Aufgabe wir dem Prozessor stellen wollen lassen wir ihn mal eine einfache Berechnung durchführen Prozessor löse folgende Aufgabe addiere die Zahlen 2 und 3 dafür müssen wir ihm jetzt eine Reihe von Anweisungen geben was soll er machen wir wissen ja der Computer hat ein Gedächtnis und ein Gehirn den Arbeitsspeicher und den Prozessor als erstes speichern wir am besten diese beiden operanten 2 und 3 im Arbeitsspeicher ab dann bringen wir diese beiden in das Rechenwerk des Computers hinein lassen dort die Addition durchführen und das Ergebnis speichern wir uns dann auch an irgendeiner Stelle im Arbeitsspeicher wieder ab jetzt stellt sich nur noch die Frage wie wir dem Computer erklären was er jetzt machen soll dazu müssen wir seine Sprache sprechen die Sprache des Prozessors ist die sogenannte Maschinensprache wenn wir möchten dass der Prozessor eine bestimmte Handlung durchführt müssen wir den entsprechenden Maschinenbefehl aufrufen eine duale 1 würde z.B den Befehl load entsprechen das können wir jetzt gleich gut gebrauchen für unser Programm denn damit könnten wir z.B eine Zahl aus dem Arbeitsspeicher in den Prozessor laden das pondant dazu wäre der sogenannte Store Befehl die duale 2 damit kann man eine Zahl vom Prozessor im Arbeitsspeicher abspeichern so das wä es jetzt schon fast das einzige was wir noch brauchen ist einen addbefehl weil wir müssen ja die Addition durchführen und einen Befehl brauchen wir natürlich immer bei jedem Programm nämlich den sogenannten hold Befehl also die 111 die dem Prozessor zeigt dass das Programm zu Ende ist schauen wir uns mal den loadbefehl etwas genauer an so ein Maschinenbefehl besteht meist aus zwei teil erst kommt der Befehl und als nächstes brauchen wir natürlich auch noch einen operanten wir müssen ja sagen was in den Prozessor hineingeladen werden soll außerdem benötigt der Prozessor noch eine weitere Information die befindet sich zwischen Befehl und operant in Form eines sogenannten numbits wenn hier eine Null steht dann sagt das dem Prozessor der operant ist eine Speicheradresse das heißt lade eine Zahl die sich an einer bestimmten Speicheradresse im Arbeitsspeicher befindet in den Prozessor hinein wenn das numbit den Wert 1 hat heißt das dass der operant selbst eine Zahl ist das heißt diese Zahl die da steht soll in den Prozessor hineingeladen werden praktisch schaut es dann so aus wenn das numbild eine ein ist heißt es lade die Zahl 2 in den Prozessor wir können das aber auch für uns verständlicher schreiben load 2 mit einem nummerzeichen vor das Z um zu zeigen dass es sich hier um eine Zahl handelt wenn das numbit eine Null ist heißt es für den Prozessor lade die Zahl die sich an Speicheradresse 2 befindet in den Prozessor wir können also schreiben load 2 ohne nummernzeichen wenn wir diese Befehle nicht dual sondern in eigener Sprache ausdrücken wird das übrigens assempler genannt für uns Menschen ist das einfacher zu verstehen allerdings muss das natürlich durch ein Programm dann wieder in Dualzahlen umgewandelt werden die der Computer versteht so damit hätten wir jetzt eigentlich alles was wir brauchen um dieses kleine Programm in Maschinensprache zu formulieren ich möchte Sie nur noch bevor wir loslegen kurz dran erinnern dass das natürlich jetzt hier eine vereinfachte Darstellung ist in Wirklichkeit sind natürlich diese binären Zahlen die die Befehle darstellen viel größer man muss ja auch größere Zahlenräume darstellen können aber für unsere Animation ist das jetzt hier geeignet dass wir das ganze jetzt hier alles auf ein Bit beschränken also so legen wir los das Programm das wir jetzt schreiben werden wird hier in den Arbeitsspeicher hineingeladen werden und es gibt auch reservierte Plätze für den ersten und für den zweiten operanten und natürlich auch einen Platz wo wir das Ergebnis abspeichern können passen Sie auf ich schreibe jetzt einfach mal die ganzen Befehle an die Tafel die wir für dieses Programm brauchen wie das funktioniert sehen wir dann bei der Durchführung load nummernzeichen 2 Store 9 dann load Nummer 3 Store 10 dann brauchen wir noch load 9 und für die Addition 10 und Store 11 und dann ist das Programm zu Ende und das müssen wir noch mit dem holdbefehl Beenden stellen wir uns vor diese Befehle befinden sich jetzt alle in binärer Form in einer ausführbaren Datei mit dem Namen XE wenn wir das doppelt anklicken dann werden diese einzelnen binären Maschinenbefehle in den Arbeitsspeicher geladen jetzt beginnt die Ausführung des Programms der Befehlszähler steht aktuell auf Null das heißt der Prozessor weiß er soll den Befehl an Speicheradresse Null ausführen den lät er sich jetzt in sein Befehlsregister der Befehl bedeutet loadnummernzeichen 2 das ist für uns einfacher zu verstehen lassen Sie uns auch die anderen Befehle mal alle in esemler umwandeln das ist für uns einfacher nachzuvollziehen was soll also der Prozessor tun die Anweisung lautet ladet die Zahl 2 in den Prozessor am nummernzeichen erkennt man ja dass es tatsächlich die Zahl ist die da steht die hineingeladen werden soll der befehlsdecoder wird also in der arithmetisch logischen Einheit eine Zuweisung erzeugen und dann wird genau dieser operant in den sogenannten Akkumulator geladen der Befehlszähler wird um eins erhöht und als nächstes wird der Befehl an Speicheradresse ein geholt da steht Store 9 und dieser Befehl wird ins Befehlsregister geladen das bedeutet für den Prozessor dass er die Zahl die sich momentan gerade im Prozessor befindet nämlich im Akkumulator im Arbeitsspeicher an Adresse neu abspeichern soll und das macht er dann auch als nächstes wird wieder der Befehlszähler hochgezählt es muss der Befehl an Speicheradresse 2 geholt werden dort steht load nummernzeichen 3 was heißt das für den Prozessor lade die Zahl 3 in den Prozessor also die Zahl die hier schon als operant steht wird über eine Zuweisung in der arithmetischlogischen Einheit dem Akkumulator zugewwiesen so dann machen wir weiter mit dem nächsten Befehl jetzt müssen wir diesen Befehl der sich an der Speicheradresse 3 befindet ausführen das heißt wir wollen ja jetzt als nächstes mit Store 10 dafür sorgen dass eben genau an der Adresse 10 im Arbeitsspeicher diese Zahl die jetzt gerade im Prozessor ist abgespeichert wird also die wird gesucht diese Stelle und es wird die drei abgespeichert Befehlszähler wieder hochgezählt und es kommt der nächste Befehl dran der befindet sich an Speicheradresse 4 es wird also der Befehl load 9 ins Befehlsregister hineingeladen der Prozessor was zu tun ist lade die Zahl die sich an Speicherstelle ne im Arbeitsspeicher befindet in den Prozessor also muss erstmal diese Speicherstelle gefunden werden der befehlsdecoder stellt die arithmetisch logische Einheit auf Zuweisung und es wird diese Zahl dem Akkumulator zugewiesen so und jetzt wird's interessant mit dem Befehl der sich an Speicheradresse 5 befindet der heißt nämlich 10 laden wir ihn erstmal in den Befehlsregister hinein was ist jetzt zu tun addiere die Zahl die sich an Speicheradresse 10 befindet zu der Zahl die sich im Akkumulator befindet hinzu als erstes muss natürlich diese Speicheradresse 10 gefunden werden und dann wird die Zahl die sich dort befindet in die arithmetisch logische Einheit hinein befördert so jetzt ist natürlich nur noch die Frage wie funktioniert jetzt diese addition diese Rechenoperation wir haben ja jetzt die beiden operanten 3 und 2 aber wie werden die beiden jetzt zusammengezählt dazu müssen wir verstehen wie der Akkumulator funktioniert der funktioniert auf folgende Weise es ist nämlich so dass die Zahl die sich aktuell im Akkumulator befindet zum operanten für die nächste Operation wird der Akkumulator ist also mit dem ersten Eingang der arithmetisch logischen Einheit verbunden und wenn der befehlsdecoder jetzt auf addition schaltet haben wir als nächstes im Akkumulator das Ergebnis dieser addition daher hat auch der Akkumulator seinen Namen das heißt man könnte jetzt immer mehr Werte hinzuzählen und entsprechend würde dann das Ergebnis im Akkumulator immer mehr anwachsen das brauchen wir allerdings jetzt in diesem Fall nicht in unserem Fall reicht eine Addition lassen Sie uns nun dieses Ergebnis abspeichern das macht dann der nächste Befehl deswegen müssen wir den Befehlszähler hochzählen es muss dieser Befehl an Position 6 jetzt geholt werden dieser Befehl heißt in diesem Fall Store 11 bringen wir mal rein ins Befehlsregister das bedeutet speichere die Zahl die sich im Prozessor also an der Stelle vom Akkumulator befindet an Speicherstelle 11 im Arbeitsspeicher ab da soll ja auch unser Ergebnis hin es wird hier abgespeichert und das Programm ist beendet dafür brauchen wir allerdings den Befehl an Speicherstelle 7 der dann dem Prozessor sagt dass jetzt schluss ist es wird in den Befehlsregister hineingeladen und damit ist das Programm beendet