Wie funktioniert ein Prozessor

Ein Prozessor (auch CPU) besteht im wesentlichen aus dem Steuer- und dem Rechenwerk. Wobei die Aufgabenverteilung grundlegend der Namensgebung entspricht.

Steuerwerk

Das Steuerwerk verwaltet den Prozessor allgemein und insbesondere das Rechenwerk und das Zusammenspiel mit dem Arbeitsspeicher. Es interpretiert die Maschinenbefehle und sorgt für eine korrekte Ausführung. Zudem enthält es den Befehlszähler und steuert hiermit welcher Befehl als nächstes ausgeführt wird.

Weitere Bestandteile sind noch das Befehlsregister, das den aktuellen Wert des Befehlszählers speichert und das Statusregister, welches Rückmeldungen des Systems entgegennimmt.

Letztlich decodiert das Steuerwerk den Befehl in der Maschinensprache, bestimmt dabei die nötigen Operationen, Register und Speicheradressen und gibt diese dann in Form von Steuersignalen an das Rechenwerk weiter.

Rechenwerk

Das Rechenwerk ist der aktive Teil des Prozessors. Es besteht aus einer oder mehreren arithmetisch-logischen Einheiten (ALU) und einigen Registern. In der ALU, welche nur aus Schaltnetzen besteht, laufen dann auch alle rechnerischen Operationen ab. Diese basieren alle auf der Addition. So werden beispielsweise beim Subtrahieren negative Zahlen addiert oder beim Multiplizieren, gesteuert durch kleine Unterprogramme, mehrere Additionen durchgeführt. In den Registern werden nicht nur Zwischenergebnisse gespeichert, sondern auch möglich eintretende Status, wie zum Beispiel Überläufe bei den Rechnungen oder ob Überträge vorhanden sind. Zusätzlich werden in den Registern aber auch die Speicheradressen hinterlegt an denen die benötigten Daten zu finden sind oder abgelegt werden sollen.

Die Addition

Addiert wird nach dem Prinzip der Logik in einzelnen Bit. So braucht ein einfacher Halbaddierer, der nur zwei einzelne Bit addieren soll, bereits zwei Ein- und Ausgänge, um neben dem Ergebnis einen eventuell entstehenden Übertrag bei der Addition festzuhalten. Für komplexere Zahlen werden dann mehrere Halbaddierer mit einigen weiteren Schaltungen kombiniert. Hier werden dann die Überträge mit in weitere Rechnungen übernommen und so Stück für Stück Zahlen mit mehrstelligen Bereich abgearbeitet. Nach diesem grundlegendem Prinzip der Bitaddition mit Übertrag laufen dann alle weiteren Rechnungen ab. Selbst bei einer Addition mit drei Zahlen werden zuerst zwei verrechnet und anschließend die Dritte.