Verarbeitung
In diesem Abschnitt lernst du:
- wie der Prozessor arbeitet
- dass ein Computer im Binärsystem rechnet
- was das Hexadezimalsystem ist
- wie schnell ein Prozessor rechnet
- welche Aufgaben Bus-Systeme im Computer haben
Der ProzessorComputer verarbeiten die Daten, die sie aus den Eingabegeräten bekommen oder aus ihren Speichergeräten auslesen, mit Hilfe des sogenannten Prozessors. Die Daten kommen in Form winziger Stromimpulse durch eine Unzahl von extrem schmalen Zuleitungen über die Hauptplatine zum Prozessor.
Der eigentlich rechnende Teil des Prozessors (im Bild der blaue Teil) ist kaum größer als ein Daumennagel. Die braune Platte, auf der er sitzt, dient lediglich dazu, die Unmengen an Steckerchen aufzunehmen, welche die elektrischen Signale von den Leiterbahnen unter ihm auf der Hauptplatine aufnehmen. Das Innere eines Prozessors besteht aus einer sogenannten Halbleiterplatine. Dieses Material, welches auf kleinstem Raum leitende und isolierende Bereiche hat, wird mittels eines Verfahrens, das an das Entwickeln von Fotos erinnert, mit winzig kleinen Strukturen versehen. Aktuell können damit Leiterbahnen nebeneinander aufgebracht werden, welche nur einige Atome voneinander entfernt sind. Da ein Prozessor in diesem kleinen Chip auf nächster Nähe tausende von kleinen Stromleitungen zusammenbringt, entsteht eine immense Hitze. Diese muss mit großen Kühlkörpern abgeleitet werden. Im Bild ist der Kühlkörper eines G5 Prozessors aus einem Apple Mac Pro zu sehen. |
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Wie rechnet ein Prozessor?
Der Prozessor bekommt eine Unmenge an elektrischen Signalen durch seine Anschlüsse. Dabei kann er nur unterscheiden ob auf einem bestimmten Anschluss momentan elektrische Spannung anliegt oder nicht. Er kennt also pro Anschluss nur die zwei Zustände „Strom fließt“ und „Strom fließt nicht“, oder einfacher gesprochen: Null oder eins. Da man aus zwei Ziffern (0 und 1) aber nicht unser Dezimalsystem mit zehn verschiedenen Ziffern bilden kann, rechnet der Computer im sogenannten Binärsystem. Das Binärsystem ist ein Zahlensystem.
Das Binärsystem mit seinen zwei Ziffern produziert sehr schnell extrem lange und unübersichtliche Zahlen. Schon die binäre Entsprechung der Dezimalzahl 16 ist fünfstellig! Eine schnelle Umrechnung zwischen Dezimalsystem und Binärsystem scheitert aber daran, dass beim Stellensprung zwischen 9 und 10 kein entsprechender Stellensprung im Binärsystem stattfindet. Anders ist das beim sogenannten Hexadezimalsystem. Es arbeitet nicht mit Zehn sondern mit 16 Ziffern. Für die hohen Ziffern wurden keine neuen Formen erfunden, sondern die Buchstaben A-F verwendet. Der große Vorteil des Hexadezimalsystems liegt darin, dass beim Stellensprung zwischen F und 10 auch genau ein Stellensprung im Binärsystem von 1111 nach 10000 liegt. Dadurch entspricht jede Ziffer im Hexadezimalsystem genau einem Vier-Stellen-Päckchen im Binärsystem. Im Binärsystem ist das Rechnen deutlich einfacher als in den anderen Systemen. Mann muss die einfachen Rechenschritte jedoch sehr oft wiederholen. Das schnelle Wiederholen vieler einzelner Schritte ist aber genau das, was ein Computerprozessor besonders gut kann. An dieser Stelle wird die Addition zweier Binärzahlen exemplarisch vorgeführt. Dabei ist es wichtig, sich zu verinnerlichen, dass 1+1 eben nicht 2 ergibt. Diese Ziffer gibt es im Binärsystem ja nicht. Vielmehr gilt hier 1+1=10, also in einer längeren Rechnung 0 und 1 Übertrag. |
Was bedeutet Gigahertz?
Was bedeutet aber nun: „Ein Prozessor kann diese einfachen Rechnungen extrem schnell berechnen.“ Dafür müssen wir uns die physikalische Einheit Hertz (Hz) etwas genauer betrachten. Die nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz benannte Einheit gibt an, wie oft etwas pro Sekunde passiert. Das können Schwingungen eines Pendels oder eben Rechnungen eines Computers sein. Ein Mensch rechnet mit etwa 1-3 Hertz für einstellige Additionen. Das bedeutet, dass er ein bis drei einstellige Zahlenpaare pro Sekunde addieren kann. Ein Computer kann dies natürlich um ein Vielfaches schneller, deshalb mussten größere Einheiten eingeführt werden.
1 Kilohertz (KHz) sind 1000 Rechnungen pro Sekunde 1 Megahertz (MHz) sind 1 Million Rechnungen pro Sekunde 1 Gigahertz (GHz) sind 1 Milliarde Rechnungen pro Sekunde Moderne Prozessoren schaffen mit vier Prozessorkernen parallel je ca. 3 GHz. Das sind also rund 10 Milliarden Rechnungen pro Sekunde. |
Die Datenbahnen im Computer
Die Rechenergebnisse sendet der Prozessor mittels sogenannter Bus-Systeme an die Hauptplatine und über sie an den Arbeitsspeicher oder an Speicher bzw. Ausgabegeräte.
Ein Bus-System ist die Summe von Regeln, welche den Aufbau von Leitungen, die Art und Weise, wie die elektrischen Signale über diese Leitungen geschickt werden, sowie die Art der Anschlüsse einheitlich regeln. Einige wichtige Bus-Systeme seien hier erwähnt. Der sogenannte „Front Side Bus“ regelt den Datenverkehr zwischen dem Prozessor und der Hauptplatine. Von der Hauptplatine gehen Bus-Systeme wie der PCI- Bus oder der US-Bus (USB) zu den Peripheriegeräten. Nur die einheitliche Regelung der Bus-Systeme macht es möglich, dass sich Geräte verschiedener Hersteller miteinander verbinden lassen und auch verstehen. |