Definition und Funktion:
Die CPU (Central Processing Unit), zu Deutsch Zentrale Verarbeitungseinheit, ist das Herzstück einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder jedes Computersystems. Ihre Hauptfunktion ist es, das Anwenderprogramm (die Steuerungslogik) auszuführen, Daten zu verarbeiten und die Kommunikation mit anderen Komponenten zu koordinieren.
Die CPU ist für die gesamte Rechenleistung und die Geschwindigkeit verantwortlich, mit der die SPS auf Eingangssignale reagieren und Ausgangssignale steuern kann. Sie führt zyklisch die im Programmspeicher hinterlegten Befehle aus und verwaltet die Daten im Arbeitsspeicher.
Bestandteile und Leistungsmerkmale:
Eine CPU besteht typischerweise aus:
- Rechenwerk (ALU – Arithmetic Logic Unit): Führt arithmetische (Addition, Subtraktion) und logische Operationen (UND, ODER, NICHT) aus.
- Steuerwerk: Interpretiert die Befehle des Programms und steuert die Abläufe innerhalb der CPU.
- Register: Sehr schnelle Zwischenspeicher für Daten, die aktuell verarbeitet werden (z.B. Akkumulator).
- Busschnittstelle: Für die Kommunikation mit dem Speicher und anderen Baugruppen über den internen Bus.
Die Leistungsfähigkeit einer CPU wird durch mehrere Faktoren bestimmt:
- Prozessortakt (Taktfrequenz): Gibt an, wie viele Operationen pro Sekunde ausgeführt werden können (z.B. MHz, GHz).
- Befehlssatz: Die Menge und Komplexität der Operationen, die die CPU direkt ausführen kann.
- Architektur: Moderne CPUs nutzen oft Multi-Core-Architektur, bei der mehrere Prozessorkerne parallel arbeiten können, um komplexe Aufgaben effizienter zu verteilen und die Gesamtperformance zu steigern (z.B. für Motion Control, Bildverarbeitung).
- Speichergröße: Die Größe des Arbeits- und Programmspeichers, den die CPU verwalten kann.
Relevanz in der Automatisierung:
Die Wahl der richtigen CPU ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Automatisierungssystems. Sie beeinflusst direkt:
- Die Zykluszeit der SPS.
- Die Komplexität des Programms, das ausgeführt werden kann.
- Die Anzahl der steuerbaren Achsen oder I/O-Punkte.
- Die Fähigkeit zur Echtzeitverarbeitung und Kommunikation.
Hersteller wie Siemens (SIMATIC CPUs), Rockwell (ControlLogix CPUs) und Beckhoff (CX-Serie Embedded-PCs) bieten eine breite Palette von CPUs an, die auf unterschiedliche Leistungs- und Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind.
→ Siehe auch: SPS, Zykluszeit, Speicher, Register, Multi-Core-Architektur, Echtzeitfähigkeit
