Aufbau eines Prozessors

Ein Prozessor (CPU, Central Processing Unit) ist das „Gehirn" eines Computers – aber anders, als es dieses Bild vermuten lässt, denkt er nicht selbst, sondern arbeitet stur eine Liste von Befehlen ab, die im Speicher liegt. Diese Liste heißt Programm, jeder einzelne Eintrag ist ein Maschinenbefehl (z. B. „addiere zwei Zahlen" oder „lade einen Wert aus dem Speicher"). Ein Speicherbaustein wie SRAM oder DRAM kann Daten nur halten und bei Bedarf herausgeben – der Prozessor dagegen verarbeitet diese Daten aktiv: Er liest Befehle, versteht sie und führt sie aus, einen nach dem anderen, milliardenfach pro Sekunde. Alles, was ein Computer „tut" – von einer einfachen Addition bis zum Rendern eines Videos – ist letztlich eine sehr lange Kette solcher einfachen Einzelschritte.

Damit ein Prozessor überhaupt an Befehle und Daten herankommt, braucht er einen Weg zum Speicher. Die meisten heutigen Prozessoren folgen der Von-Neumann-Architektur: Programm (die Befehle) und Daten (die Werte, mit denen gerechnet wird) liegen im selben Speicher und werden über denselben Übertragungsweg geladen. Das vereinfacht den Entwurf erheblich, erzeugt aber eine Engstelle: Befehl und Daten können nicht gleichzeitig über diesen einen Weg transportiert werden, der Prozessor muss abwechselnd warten (der sogenannte Von-Neumann-Flaschenhals). Die Harvard-Architektur trennt deshalb Programmspeicher und Datenspeicher physisch voneinander und erlaubt echten Parallelzugriff auf beide gleichzeitig. Ein Kompromiss, den viele moderne Prozessoren nutzen: Sie sind nach außen von-Neumann-artig aufgebaut, besitzen intern aber getrennte Caches für Befehle und Daten, um von den Vorteilen beider Ansätze zu profitieren.