Einleitung

Hallo Freund, schön das du wieder da bist! Wir haben wirklich lange nichts voneinander gehört. In der heutigen Zeit mit den ganzen „Instant Nachrichtendiensten / Echtzeit/direkt Nachrichtendiensten“ ist man einen längeren Kontaktabbruch gar nicht mehr gewohnt. Früher sind die Menschen auf Reise gegangen und vielleicht kam mal ein Brief oder ein Lebenszeichen nach Wochen oder Monaten. Heutzutage drehen viele Menschen schon durch, wenn Sie in drei Minuten kein Lebenszeichen erhalten. Als wäre unser Antwortrhythmus der unterliegende Herzschlag und bei ausbleiben einer Nachricht tritt der sofortige Tod auf.

Wo wir gerade schon bei Rhythmus sind, weißt du was noch Rhythmus oder eher Takt bei uns im Computer hat? Unser Prozessor / die CPU. Sie ist das Herzstück unseres Computers, sie ist unser Denkbauteil, aber auch unser Herzschlag, aber dazu kommen wir gleich.

Bist du schon bereit etwas neues zu lernen? Dann schnapp dir eine warme Decke, etwas zu trinken und komm rüber, dann legen wir los.

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Der Prozessor schlägt im Inneren unseres Computers

Willkommen zurück oder welcome back, ich habe mir auch kurz ein paar Sachen zum snacken geholt, dann lass uns mal los legen.

Der Prozessor/zentrale Verarbeitungseinheit oder auch „CPU, Central Processing Unit“ ist so zusagen eine Abstraktion von Herz und Gehirn in unserem Computer. Hier werden alle Aktionen und Ablaufschritte entschieden und durchgeführt. Er verteilt als Chef die Aufgaben, ist die Hauptsteuerung der Maschinen und ein Dirigent, der alles zusammenhält.

Das klingt ein bisschen übertrieben oder? Gerade so, als wäre es das organisatorische Allheilmittel, aber der Prozessor ist wirklich so wichtig für unseren Computer, wie damals das Allheilmittel für die Quacksalber auf den Marktplätzen.

Das klingt alles total wild, aber ehrlich gesagt, ist es ganz simpel. Schau mal hier, ich zeige dir ein paar konkrete Beispiele.

Prozessor Beispiel 1

Stell dir vor, du klickst mit der Maus auf ein Programm auf deinem Desktop. Was passiert dann? Der Prozessor empfängt das Signal von dem Mausklick, liest die Datei auf der Festplatte von dem Programm, welches du angeklickt hast, lädt den Programmcode in den Arbeitsspeicher / RAM, startet dann die Berechnungen und organisiert die Abläufe.

Prozessor Beispiel 2

Ich dachte ich gebe dir am Besten noch ein alltägliches Beispiel. Wenn du einen Text in Word eingibst, was denkst du, passiert im Hintergrund mit dem Prozessor? Jede einzelne Tasteneingabe registriert dein Prozessor und berechnet, wo der Buchstabe erscheinen soll. Der Prozessor aktualisiert auch jedes Mal deinen Bildschirm, so das du die Veränderungen auch wahrnehmen kannst, dazu speichert er den Text im Arbeitsspeicher / RAM zwischen, bevor es endgültig auf die Festplatte geschrieben wird.

Prozessor Beispiel 3

Ich war mir nicht sicher, ob du noch zockst, aber dann wird dir das Beispiel gefallen. Wenn du ein Spiel/Game spielst, dann berechnet dein Prozessor jede Position deiner Gegner oder Nichtspielercharaktere/NPCs, Schläge/Schüsse, die Position deines Charakter und vieles mehr. Also eigentlich alles, was irgendwie etwas macht unabhängig von Texturen, Materialien etc. Er sagt der Grafikkarte/GPU, was Sie zeichnen soll und verarbeitet auch die Eingaben deiner Tastatur, Maus oder Controllers.

Du siehst ganz schön überladen aus, mach ruhig mal 5 Minuten Pause und lies dann weiter. Die Abstraktionen und Informationen muss man auch erstmal verstehen und verbinden, aber wir haben hier keinen Stress, du machst das gut und wir machen das ganz entspannt. Im nächsten Abschnitt werden wir uns die CPU mal genauer anschauen, wir sehen uns im nächsten Bereich!

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Aus was besteht denn so ein Prozessor/CPU?

Schön das du wieder da bist. Wusstest du, dass man einen Prozessor / CPU nochmal ein bisschen unterteilen kann? Nein, dann zeige ich dir gleich mal wie.

Kerne / Cores

Ein Kern oder Core ist sozusagen ein kleiner physischer Mini-Prozessor in der CPU. Umso mehr Kerne ein Prozessor hat, desto mehr Aufgaben kann er erledigen. Er ist eine einzelne kleine Recheneinheit.

Threads

Ein Thread ist ein virtueller Kern, das ermöglicht mehr gleichzeitige Abläufe. Durch „Hyperthreading“ können wir einen Kern / Core zu zwei virtuellen Kernen machen und dadurch können mehr Aufgaben gleichzeitig erledigt werden.

Taktfrequenz / Core Clock Speed

Das ist die Geschwindigkeit mit der deine Kerne arbeiten. Je höher deine Frequenz ist, desto schneller arbeitet dein Prozessor. Die Frequenz wird in Hz ( Hertz ) angegeben und befindet sich heutzutage eigentlich in normalen Computern immer im GHz, Gigahertz-Bereich. Die Taktfrequenz ist ähnlich einem Herzschlag, 1 GHz sind 1 000 000 000 ( Eine Milliarde ) Taktzyklen pro Sekunde. Bei jedem Zyklus können viele kleine Sachen ( Anweisungen / Instruktionen ) passieren.

Eine Instruktion könnte das zusammenrechnen von zwei Zahlen sein, etwas aus dem Arbeitsspeicher laden, Werte vergleichen oder in einem Programmcode zu einer speziellen Position zu springen.

Zwischenspeicher / Cache

Der Cache ist ein CPU eigener Zwischenspeicher, nicht mit dem Arbeitsspeicher / RAM zu verwechseln! Er ist ein Mini-Zwischenspeicher und ermöglicht extrem schnellen Zugriff auf Daten. Er ist wesentlich schneller als der RAM und speichert sehr häufig genutzte oder kürzlich genutzte Daten und Befehle, damit die CPU ihre volle Geschwindigkeit ausschöpfen kann. Er behält kleine Mengen an wichtigen Daten direkt an den Kernen / den Cores bereit.

Es gibt drei verschiedene Arten von Caches, es gibt einen L1, L2 und L3 Cache. Das L steht für „Level“ und die verschiedenen Level sind anders.

Level 1 Cache

Die Level 1 Caches sind oftmals direkt in einen Kern und deren eigener kleiner Speicher, dass ist natürlich sehr schnell, aber die Speichergröße ist kleiner.

Level 2 Cache

Die Level 2 Caches sind bei den Kernen oder Kernpaaren, also zwei Kerne. Also teilen sich mehrere Prozessoren diesen Speicher. Er ist größer, aber langsamer.

Level 3 Cache

Die Level 3 Caches sind Speicher, den sich alle Prozessorkerne / Cores teilen, der Speicher ist viel Größer als L1 und L2, aber dafür sehr viel langsamer.

Integrierte Grafik / iGPU

Die iGPU ( integraded Graphics Processing Unit / integrierte Grafikverarbeitungseinheit ), ist eine kleine integrierte Einheit für grafische einfach Aufgaben z.B. Büroarbeit.

Sie kann Monitore ansteuern, Animationen, Texte und Fenster darstellen. Die Einheit ermöglicht das flüssige darstellen von Windows oder sogar leichtes 3D-Gaming.

Sockel

Der Sockel ist nur der mechanische Platz / mechanische Anschluss, in dem ein Prozessor eingebaut / eingesteckt wird. Diese Sockel können variieren je nach Generation eines Prozessors oder nach Hersteller.

Zusammenfassung des Bereichs

Ich versuche immer für meine Freunde oder Interessierte eine Abstraktion zu erstellen, damit man einen Überblick bekommt und ich dachte für dich wäre das vielleicht auch sinnvoll.

Du kannst den Prozessor / die CPU als komplette Fabrik sehen. In dieser Fabrik arbeiten Mitarbeiter, das sind unsere Kerne / Cores. Jede Hand eines Mitarbeiters ist ein Thread, der Mitarbeiter hat zwei Hände, also kann er zwei Aufgaben gleichzeitig anfassen ( Multitasking ).

Die Taktfrequenz ist die Arbeitsgeschwindigkeit, wie schnell ein Arbeiter seine Aufgaben erledigt. Die Caches sind verschiedene Werkzeuge oder Informationen, die der Arbeiter direkt an seinem Arbeitsplatz hat, damit er nicht jedes Mal jemanden anrufen oder ins Lager ( Arbeitsspeicher / RAM ) laufen muss, dass würde seine Arbeit nur verlangsamen.

Ich hoffe dir hat meine kleine Abstraktion geholfen, um das Ganze ein bisschen besser zusammen zu fassen.

Puuh, dass war richtig viel, aber mit dem Wissen bist du schon so vielen Leuten voraus. Auch hier ist mal wieder eine kleine Pause angebracht von 5 bis 10 Minuten. Gönn dir ruhig etwas frische Luft und vergiss nicht etwas zu trinken. Du machst das richtig gut, bleib motiviert. Wir ziehen das gemeinsam durch!

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Was genau macht das Ding überhaupt?

Also die CPU liest und für Anweisungen aus, dass kannst du wie so einzelne kleine Maschinenbefehle sehen. Rechne hier etwas zusammen, vergleiche X und Y. Das alles passiert in Zyklen, in sehr kleinen Schritten, aber dafür extrem schnell. Oben hatte ich ja schon mal darauf angespielt und bei einem GHz wären das eine Milliarde Befehle pro Sekunde! Das ist so verrückt, versuche dir das mal vorzustellen.

Also im Groben und Ganzen ist der Prozessor verantwortlich für:

• Programme steuern
  • Starten
  • Koordinieren
  • Beenden
• Berechnungen durchführen
  • Physikberechnungen in Spielen
  • Logiküberprüfungen
    • zum Beispiel beim Einloggen
  • Entpacken und Verschlüsseln von Dateien
• System und Betriebssystem kontrolieren
  • Prozesse verwalten
  • Ressourcen zuteilen
  • Eingaben verarbeiten
  • Treiber ansprechen
• Mit anderen Komponenten sprechen
  • RAM
  • SSD / HDD
  • GPU

Wie das alles im Detail aussieht, dass kommt in den „Deep Dive“ Teilen dran, hier ist erstmal alles ganz entspannt für uns, die neu in dem Bereich sind.

Wieso rechnet und vergleicht die CPU ständig?

Das ist eine Frage, die ich mir am Anfang immer gestellt habe, weil man drückt doch eigentlich nur auf einen Knopf oder scrollt im Browser.

Das liegt daran, dass im Kern die meisten Programme aus Rechenoperationen bestehen und jede Aktion im Computer lässt sich auf Schritte wie Addieren, Subtrahieren, Vergleichen und Springen herunterbrechen.

Aktion Beispiel 1 – Browser scrollen

Wenn du im Browser scrollst, dann veränderst du ja deine Position. Das heißt, deine CPU muss diese Position errechnen, also („Alte Position“ + „Pixel-Verschiebung„), dann wären wir bei der Addition.

Aktion Beispiel 2 – Bedingung überprüfen

Wenn du dich in einer Webseite einloggst, dann wird dein Passwort-Hash mit dem hinterlegten Passwort-Hash verglichen, falls er stimmt, dann wird das Passwort als gültig angesehen.

Ein anderes Beispiel wäre, dass der Computer überprüft, ob du eingeloggt bist, wenn du eingeloggt bist, dann zeigt er die Seite an. Falls du nicht eingeloggt bist, dann wirst du zu der Seite geführt, wo dich einloggen kannst.

Wenn du einen Knopf drückst, dann wird überprüft, welchen Knopf du gedrückt hast und daraufhin wird die hinterlegte Aktion ausgeführt z.B. die Taste „A“ und ein Schritt nach links.

Das wären einfache Beispiele einer Überprüfung.

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Schlusswort

Da sind wir schon am Ende angekommen. War gar nicht so einfach, aber du siehst aus, als wärst du da gut durchgekommen. Ich habe noch einen kleinen Denkanstoß für dich und der wäre:
Nur weil etwas grafisch passiert, heißt es nicht, dass es grafisch passiert ist.

Normalerweise ist die Logik von der Optik getrennt. Dein CPU / Prozessor entscheidet was soll passieren und deine GPU / Grafikkarte entscheidet wie es aussieht, also zeigt an.

Der Prozessor rechnet und steuert die Logik, aber die Grafikkarte erstellt dann alle Bilder und Grafiken dazu.

Du klickst in einem Spiel, der Prozessor überprüft alles, gibt es an die Grafikkarte weiter und diese zeigt dann den gedrückten Knopf mit der dazugehörigen Animation.

Ich habe mich richtig gefreut, dass du wieder dabei warst und hoffe du hattest genauso viel Spaß wie ich. Lernen ist etwas schönes und nichts schlimmes. Leider ist der Kontext, die Voraussetzung wie z.B. Stress und die Lernumgebung im Alltag einfach negativ geprägt und damit verlieren Viele den Spaß daran. Wir aber nicht.

Du hast das sehr gut gemacht, ich bin stolz auf dich. Nächsten Sonntag schauen wir uns dann den unglaublichen RAM oder auch Arbeitsspeicher an. Bist du schon genauso gespannt wie ich?

Bis zum nächsten Mal, Freund.