Architektur

Mit dem Begriff "Architektur" werden die wesentlichen Merkmale eines Prozessors beschrieben:

die Prozessorbreite, die angibt, wie viele Bits an Daten ein Prozessor gleichzeitig pro Taktzyklus verarbeiten kann. Ein 32-Bit-Prozessor kann beispielsweise 32 Bits parallel verarbeiten. In der Fachliteratur wird sie häufig der Befehlssatzarchitektur zugeordnet.

die Befehlssatzarchitektur, die das Programmiermodell einer CPU definiert. Dazu gehört z.B. der Befehlssatz, der sozusagen den Wortschatz eines Prozessors darstellt.

die Mikroarchitektur, die den internen, funktionalen Aufbau eines Prozessors festlegt.

Prozessorbreite

Die Prozessorbreite bestimmt mehrere Eigenschaften der CPU:

in erster Linie die Breite bzw. Speicherkapazität der Datenregister

die Anzahl an Bits bzw. die größte Binärzahl, die die arithmetisch-logische Einheit (ALU) pro Taktzyklus verarbeiten kann. Eine 16-Bit-ALU kann beispielsweise pro Taktzyklus zwei Zahlen entweder ohne Vorzeichenbit im Bereich von 0 bis 2^16 - 1 (entspricht der Dezimalzahl 65.535) oder mit Vorzeichenbit im Bereich von -2^15 bis 2^15 - 1 (entspricht -32768 bis 32.767) addieren.

die Breite des Speicherbusses, d.h. die Anzahl der Datenleitungen zwischen CPU und Arbeitsspeicher

bei älteren Prozessoren ohne serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung die Breite des Datenbusses

Es gab in der Vergangenheit auch CPUs, deren Datenbus oder ALU aus Kostengründen nur halb so breit waren. So hatten etwa die 32-Bit-Prozessoren Motorola 68000 und Intel 80386SX nur einen 16 Bit breiten Datenbus. Der 68000er hatte außerdem nur eine 16-Bit-ALU, die aber mit 32-Bit-Zahlen rechnen konnte.

Befehlssatzarchitektur

Die Befehlssatzarchitektur (engl. Instruction Set Architecture, kurz ISA), beschreibt Aufbau und Funktionsweise einer CPU aus Sicht des Programmierers. Sie bestimmt nicht nur den Befehls- und Registersatz, sondern auch wie die Adressierung des Speichers und die Behandlung von Programmunterbrechungen erfolgt. Die beiden bedeutendsten Architekturkonzepte sind CISC (Complex Instruction Set Computer) und RISC (Reduced Instruction Set Computer). Moderne CPUs basieren auf RISC-Architekturen.

	CISC	Intel x86 (ab Intel 8086)	RISC
Befehlssatz Anzahl Operanden	viele mächtige Befehle 1 oder 2	viele einfache und mächtige Befehle 2 oder 3	wenige einfache Befehle meistens 3
Befehlsbreite	variabel	variabel	fest (32 Bit)
Anzahl Register	gering	hoch	hoch
Adressierungsmodi	viele	viele	wenige (i.d.R. direkt und registerdirekt)
Art des Speicherzugriffs	Register-Speicher	Register-Speicher	Register-Register
Byte-Reihenfolge	Little-Endian / Big-Endian	Little-Endian	Big-Endian / Bi-Endian
Befehle pro Takt	<1	variabel	>1 (Superskalarität)
Abgeleitete Befehlssatzarchitekturen
	Intel 8080 MOS 6502 Motorola 68000 DEC VAX Zilog Z80	IA-32 (Intel Architecture, 32-bit): ab Intel 80386 x86-64: ab AMD Athlon64, Intel Pentium 4 (F-Serie)	Alpha AXP ARM MIPS PA-RISC PowerPC SPARC SuperH

Befehlssatz

Der Befehlssatz stellt den "Wortschatz" eines Mikroprozessors dar. Er versteht nur Befehle, die auch in seinem Befehlssatz enthalten sind (z.B. ADD für Addiere oder SUB für Subtrahiere). Moderne CPUs besitzen einen orthogonalen Befehlssatz d.h. jeder Befehl kann mit jedem Register und mit jeder Adressierungsart verwendet werden.

AAA
AAD
AAM
AAS
ADC
ADD
AND
CALL
CBW
CLC
CLD
CLI
CMC
CMP
CMPSB
CMPSW
CWD
DAA
DAS
DEC
DIV
HLT
IDIV
IMUL
IN
INC
INT
INTO
IRET
JA
JAE
JB
JBE
JC
JCXZ
JE
JG
JGE
JL
JLE
JMP
JNA
JNAE
JNB
JNBE
JNC
JNE

JNG
JNGE
JNL
JNLE
JNO
JNP
JNS
JNZ
JO
JP
JPE
JPO
JS
JZ
LAHF
LDS
LEA
LES
LODSB
LODSW
LOOP
LOOPE
LOOPNE
LOOPNZ
LOOPZ
MOV
MOVSB
MOVSW
MUL
NEG
NOP
NOT
OR
OUT
POP
POPA
POPF
PUSH
PUSHA
PUSHF
RCL
RCR
REP
REPE
REPNE
REPNZ
REPZ

RET
RETF
ROL
ROR
SAHF
SAL
SAR
SBB
SCASB
SCASW
SHL
SHR
STC
STD
STI
STOSB
STOSW
SUB
TEST
XCHG
XLATB
XOR

Der ursprüngliche Befehlssatz der x86-Architektur

Befehlsbreite

Gibt die Länge eines Befehls (Opcode) in Bit an. Im Zusammenhang mit der maximalen Befehlsbreite einer CPU spricht man häufig auch von n-Bit-Architektur oder -Prozessor. Ein 32-Bit-Prozessor kann z.B. einen 32 Bit langen Befehl innerhalb eines Taktes verarbeiten.

Registersatz

Der Registersatz bestimmt Art und Anzahl der Register.

Registersatz der x86-Architektur (Intel 80386SX)

a) Allzweck-Register, b) Segment-Register, c) Statusregister, d) Befehlszähler, e) Register für den geschützten Modus ("Protected-Mode") f) Debug-Register g) Test-Register

Adressierung

Die Adressierung bestimmt, wie aus einer Programmadresse die tatsächliche Adresse im Speicher ermittelt wird. Je mehr verschiedene Algorithmen bzw. Modi zur Verfügung stehen, desto effizienter kann eine Adressierung erfolgen.

x86-Adressierungsmodi

Art des Speicherzugriffs

Befehlssatzarchitekturen lassen sich auch nach der Art des Speicherzugriffs unterteilen in:

Register-Register-Architekturen (Load-/Store-Architektur): Die arithmetisch-logische Einheit (ALU) kann nur Operanden miteinander verknüpfen, die sich in den Registern befinden. Auch das Ergebnis muss zunächst in einem Register abgelegt werden. Operanden, die sich im Cache/Arbeitsspeicher befinden, müssen zuerst mit einem weiteren Befehl in die Register eingelesen (Load, "Laden") bzw. von diesen in den RAM übertragen (Store, "Speichern") werden. Dazu ist es notwendig, die physikalischen Speicheradressen der Operanden in logische Adressen umzuwandeln und umgekehrt. Diese Funktion übernimmt bei entsprechenden CPUs die Load-/Store-Einheit (LSU). Man bezeichnet solche Befehlssatzarchitekturen deshalb auch als Load-/Store-Architektur. Die Vermeidung direkter Speicherzugrfife verringert nicht nur Zugriffszeiten, sondern auch Datenabhängigkeiten (engl. Hazards), die bei der parallen Verarbeitung mehrerer Befehle auftreten können.
Register-Speicher-Architekturen: Die ALU kann in einem einzigen Befehl nicht nur Operanden verarbeiten, die in Registern abgelegt sind, sondern auch solche, die sich im Cache bzw Arbeitsspeicher befinden. Ergebnisse können direkt in den Arbeitsspeicher übertragen werden.

Rechenoperationen mit Zugriff auf den Arbeitsspeicher benötigen bei Register-Register-Architekturen neben dem eigentlichen Rechenbefehl, welcher von der arithmetisch-logischen Einheit (ALU) ausgeführt wird, z.B. "Addiere", noch einen weiteren Befehl zum Holen/Ablegen der Operanden aus dem bzw. im Speicher (Load/Store). Bei Register-Register-Architekturen werden Zugriffe auf den langsamen Arbeitsspeicher auf ein Minimum reduziert, indem die benötigten Operanden so weit wie möglich in den schnelleren Registern zwischengespeichert werden. Aus diesem Grund verfügen Register-Register-Architekturen über einen größeren Registersatz als Register-Speicher-Architekturen. Entsprechende CPUs sind deshalb zwar wesentlich schneller, aber auch komplexer und teurer in der Herstellung.

Byte-Reihenfolge

Die Byte-Reihenfolge, in englischer Sprache als "Endianness" bezeichnet, bestimmt die Reihenfolge, in der die einzelnen Bytes im Speicher abgelegt werden:

Little-Endian: Das kleinstwertige, rechts stehende Byte (Least Significant Bytem, LSR) wird an der niedrigsten Adresse im Speicher abgelegt, das nachfolgende Byte an der zweitniedrigsten Adresse usw.

Big-Endian: Das höchstwertige, links stehende Byte (Most Significant Byte, MSR) wird an der niedrigsten Adresse im Speicher abgelegt, das nachfolgende Byte an der zweitniedrigsten Adresse, usw.

Bi-Endian: Die Byte-Reihenfolge ist variabel einstellbar.

IRQ-Behandlung

Als Unterbrechungsanforderung (IRQ = Interrupt ReQuest) bezeichnet man ein Signal, das von einem anderen Gerät oder durch ein Programm bei Auftreten eines bestimmten Ereignisses an den Prozessor gesendet wird, damit dieser sein aktuelles Programm unterbricht. Das kann im einfachsten Fall das Drücken einer Taste sein. Wie sich die CPU in diesem Fall verhält, wird ebenfalls durch die Architektur festgelegt.

CISC

Prozessoren mit CISC-Architektur waren bis Ende der 80er Jahre noch weit verbreitet. Das Ziel war eine Optimierung der Geschwindigkeit, indem man den Prozessor mit langen, mächtigen Befehlen ausstattet, damit dieser möglichst viele Daten pro Takt verarbeiten kann. CISC-Prozessoren arbeiteten in der Regel sequentiell; d. h. die Befehle wurden nacheinander einzeln abgearbeitet. Ein weiteres Merkmal von CISC-Prozessoren war das Vorhandensein eines festverdrahteten oder in einem ROM-Baustein untergebrachten Steuerprogramms.

RISC

Bei der RISC-Architektur wird eine hohe Geschwindigkeit der CPU durch Ausführung möglichst vieler einfacher, kompakter Befehle pro Takt erreicht. Durch die Einteilung der Befehlsverarbeitung in Phasen (Pipelining) können praktisch mehrere Befehle parallel verarbeitet werden. Dazu müssen allerdings folgende Voraussetzungen erfüllt werden: Jede einzelne Phase muss in der gleichen Zeit durchlaufen und darf jeweils nur einer Verarbeitungseinheit zugeordnet werden.

Abgeleitete Architekturen

Alpha-Architektur
Entwickler	Digital Equmint Corporation
Einsatz	Alphachip 21x64-Serie
Registersatz	32 64-Bit-Integer-Register (ganze Zahlen) 32 64-Bit-Gleitkommaregister 64-Bit-Befehlszähler (PC) 3 Kontrollregister (werden u.a. für die Synchronisation beim Betrieb mehrerer CPUs benötigt)
Besondere Merkmale	Es gibt kein Statusregister; Zustandsinformationen (Flags) werden in einem Universalregister gespeichert und nur bei Bedarf ausgewertet. So kann die CPU bereits den nächsten Befehl ausführen, ohne sich um die Behandlung von Flags kümmern zu müssen. keine Warteplätze bei Sprungbefehlen (branch delay slots) optimiert für Mehrprozessorsysteme

ARM-Architektur
Entwickler	Advanced RISC Machines
Einsatz (Beispiele)	Cortex-A-Serie (z.B. Smartphones, Tablets, Fernseher, Set-Top-Boxen) Cortex-M-Serie (Steuerungschips für den industriellen Einsatz, digitale Signalprozessoren) Cortex-R-Serie (v.a.für sicherheitskritische Anwendungen, z.B. medizinische Geräte, Motorsteuerungen, Airbags)
Befehlsbreite abhängig vom Ausführungsmodus	AArch64: 32 Bit, AArch32: 32 Bit, fest / 16+32 Bit, variabel
Registersatz abhängig vom Ausführungsmodus	AArch64: 31 64-Bit-Universalregister 32 128-Bit-SIMD-Register 64-Bit-Befehlszähler (PC), -Stapelregister (SPs) und -Link-Register für die Fehlerbehandlung (ELR) AArch32: 13 32-Bit-Universalregister 32 64-Bit-SIMD-Register 32-Bit-Befehlszähler, -Stapelregister und -Link-Register
Besondere Merkmale	Es gibt je nach verwendeter Software zwei Ausführungsmodi (32 oder 64 Bit). der Thumb-Befehlssatz mit nur 16 Bit breiten Befehlen ermöglicht sehr kompakte Programme Alle Befehle können bedingt ausgeführt werden. Dadurch werden unnötige Sprünge, die zu Pipeline-Stillständen führen können, vermieden.
Quelle: https://static.docs.arm.com/ddi0487/ea/DDI0487E_a_armv8_arm.pdf?_ga=2.4267632.2133538031.1572704124-783143061.1571499381

MIPS-Architektur (Microprocessor without Interlocked Pipelined Stage, "Mikroprozessor ohne verschränkte Pipeline-Stufen")
Entwickler	MIPS Technologies
Einsatz	Mikroprozessoren für Server, Ein-Chip-Systeme (SoCs) für Netzwerk- und Telekommunikations-infrastruktur, fortgeschrittene Fahrassistenzsysteme, autonome Fahrsysteme
Befehlsbreite	32 Bit
Registersatz	32 64-Bit-Universalregister 64-Bit-Befehlszähler (PC)
Besondere Merkmale	unterstützt Multi-Threading (MT) Enhanced Virtual Addressing (EVA): erweitert den im 32-Bit-Kompatibilitätsmodus für den Anwender verfügbaren virtuellen Speicher von 2 auf 3 GB
Quelle: https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/downloads-mips/documents/MD00083-2B-MIPS64INT-AFP-06.01.pdf

PA-RISC-Architektur (PA = Precision Architecture)
Entwickler	Hewlett-Packard
Einsatz	Mikroprozessoren in Workstations, Servern und Großrechnern
Registersatz	32 64- Bit-Universalregister 7 64-Bit-Schattenregister 32 64-Bit-Gleitkommaregister
Besondere Merkmale	Out-of-Order-Befehlsausführung eine der ersten Architekturen mit SIMD-Erweiterung (MAX = Multimedia Acceleration eXtensions)
Quelle: https://www.openpa.net/pa-risc_architecture.html

PowerPC-Architektur (Power = Performance optimization with enhanced RISC)
Entwickler	Apple, IBM und Motorola (heute NXP Semiconductors)
Einsatz (Beispiele)	Digitalreceiver, Videospielkonsolen (Nintendo GameCube/Wii), Apple Macintosh, zivile und militärische Luft- und Raumfahrt
Registersatz (Userebene)	32 32-Bit-Universalregister 32 64-Bit-Gleitkommaregister 32-Bit-Status-, -Integer-Exception-Register und -Status-/Kontrollregister für Gleitkommaberechnungen 32-Bit-Zähler- und -Link-Register
Besondere Merkmale	großer Registersatz (auf Anwenderebene 71 und 65 auf Administratorebene) SIMD-Erweiterung: AltiVec bzw. VMX (Vector Media Extensions)
Quelle: https://www.nxp.com/docs/en/white-paper/POWRPCARCPRMRM.pdf

SPARC-Architektur (Scalable Processor ARChitecture)
Entwickler	Sun Microsystems, Fujitsu
Einsatz (Beispiele)	Workstations und Server
Registersatz (Userebene)	64 - 528 64-Bit-Universalregister 32 32-Bit-Gleitkommazahlen (einfache Genauigkeit) 32 64-Bit-Gleitkommaregister (doppelte Genauigkeit) 16 128-Bit-Gleitkommaregister (vierfache Genauigkeit)
Besondere Merkmale	sehr großer Registersatz (je nach Umsetzung bis zu 528 Register) verschiebbares Registerfenster (je ein Satz von 24 Registern) für schnellen Prozesswechsel RMO (Relaxed Memory Order): Speicherzugriffe müssen nicht in der vom Programm vorgegebenen Reihenfolge erfolgen unterstützt Gleitkommazahlen mit vierfacher Genauigkeit (quad precision) enthält Befehle für die Synchronisation mehrerer CPUs sowie bedingte Befehle zur Vermeidung von unnötigen Sprüngen im Programm
Quelle: https://sparc.org/technical-documents/#V9

SuperH-Architektur
Entwickler	Hitachi (heute Renesas Electronics)
Einsatz (Beispiele)	Videospielkonsolen (z.B. Sega Saturn/Dreamcast), HP Jornada PDAs, eingebettete Systeme (v.a. in der Automobilbranche), digitale Signalprozessoren (DSPs)
Registersatz (Userebene)	SHmedia-Modus: 64 64-Bit-Universalregister 64 32-Bit-Gleitkommaregister (optional) SHcompact-Modus: 16 32-Bit-Universalregister 32 32-Bit-Gleitkommaregister (optional) Befehlszähler Kontrollregister Gleitkomma-Status-/Kontrollregister 8 Zielregister (nehmen Adressen von Sprungzielen auf)
Besondere Merkmale	2 Ausführungsmodi: SHcompact und SHmedia SHcompact: 32-Bit-Architektur mit 16 Bit breiten Befehlen (2 Operanden) für kompakten bzw. dichten Programmcode SHmedia: 64-Bit-Architektur mit 32 Bit breiten Befehlen (3 Operanden) für hohe Ausführungsgeschwindigkeit SIMD-Erweiterung Geteilte Sprünge (Split-branch): Sprünge bestehen aus zwei Teilen: Der Sprungvorbereitung (prepare-to-branch) und dem eigentlichen Sprung (branch-to-target). In der Sprungvorbereitung wird die Adresse des (wahrscheinlichen) Sprungziels in einem der acht Sprungzielregister abgelegt. An dieser Adresse werden automatisch zwei Befehle geholt, wenn das Bit für einen Sprung mit hoher Wahrscheinlichkeit gesetzt ist. Wenn das vorbereitete Sprungziel und die Sprungvorhersage übereinstimmen, gibt es keine Verzögerung in der Ausführung des Befehls. Virtueller Cache: Im Gegensatz zu einem physischen Cache erfolgt der Zugriff meistens ohne Einbeziehung des TLB (Translation Lookaside Buffer, enthält bereits übersetzte Seitenadressen), wodurch dieser beschleunigt wird.
Quelle: http://www.iuma.ulpgc.es/~nunez/procmultimedia98-00/hitachi/sh5_whitepaper.pdf

x86 (IA-32)

Der größte Hersteller von Prozessoren Intel hat seine Produkte mit RISC- und CISC-Charakterzügen ausgestattet. Die modifizierte Architektur wird auch als x86-Architektur oder IA-32 (Intel Architecture 32-Bit) bezeichnet und kommt in allen CPUs ab dem 80386 vor. Der x86-Befehlssatz beinhaltet eine große Anzahl CISC-Befehle, die auch kompliziertere Funktionen ausführen können, aber mehrere Taktzyklen beanspruchen. Diese werden vor der Ausführungsphase in prozessorspezifische RISC-Mikroinstruktionen umgewandelt, um eine hohe Ausführungsgeschwindigkeit bei maximaler Kompabilität (Verträglichkeit mit älteren Programmen) zu erreichen. Die x86-Architektur wird immer wieder erweitert, um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden.

Intel 64 (früher: Extended Memory 64 Technology) oder x86-64

Ältere x86-Prozessoren konnten nur 4 GiB Arbeitsspeicher verwalten, da sie nur 32 Adressleitungen (2^32 = 4.294.967.296 Bytes) hatten. Deshalb wurde mit den neueren Pentium-IV-Modellen die 64-Bit-Adressierung eingeführt. Außerdem wurde der Registersatz um 8 Allzweck-Register erweitert und die Registerbreite von 32 auf 64 Bit erhöht. Dadurch können auch reine 64-Bit-Programme auf x86-Prozessoren ausgeführt werden.

Befehlssatzerweiterungen

Da sich Ende der 90er Jahre rechenintensive Anwendungen aus dem Bereich der Bild- und Tonverarbeitung immer mehr durchsetzten, haben sich CPU-Hersteller und Softwareentwickler überlegt, wie man diese beschleunigen könnte, ohne eine komplett neue Archtektur für den Mikroprozessor entwerfen zu müssen. Die Entwickler untersuchten die Schlüsselfunktionen einer großen Menge angebotener Software, darunter Musiksynthese, Sprachkompression, Spracherkennung, MPEG-Video und Bildbearbeitung. Das Ergebnis waren sog. SIMD-Befehle (Single Instruction Multiple Data), die auf der Tatsache beruhten, das bei diesen Anwendungen ein bestimmter Befehl mehrmals mit gleichartigen Daten parallel ausgeführt wird. So gibt es z.B. bei der Bildbearbeitung viele Effekte, die auf jeden einzelnen Bildpunkt denselben Befehl anwenden.

Wichtige Befehlssatzerweiterungen

Erweiterung	Einführung	Beschreibung
MMX (MultiMedia eXtensions)	Pentium MMX (1997)	Erweiterte den Befehlssatz des Pentium-Prozessor um 57 SIMD-Befehle und fügte vier neue Datentypen hinzu: "Packed bytes"; acht Byte, die zu einem 64-Bit-Quadwort zusammengefasst sind "Packed word"; vier 16-Bit-Wörter, die zu einer 64-Bit-Quadwort zusammengefasst sind "Packed doubleword"; zwei 32-Bit-Doppelwörter, die zu einem 64-Bit-Quadwort zusammengefasst sind "Quadword"; Zahl einer Länge von 64-Bit (Stellen)
SSE (Streaming SIMD Extensions)	Pentium III (1999)	Ergänzte den Befehlssatz um weitere 72 SIMD-Befehle, darunter 52 Fließkomma-, 12 Media- und 8 Speicherbefehle. Darüber hinaus kamen 8 neue 128 Bit breite Register hinzu.
SSE2. SSE3, SSE4	Pentium IV (ab 2000)	Es gibt nun sowohl Befehle mit einer Breite von 64 Bit als auch 128 Bit. Darüber hinaus werden 6 weitere Datentypen unterstützt: 128-Bit packed double-precision floating point (Gleitkommazahlen doppelter Genauigkeit, d.h. 64 Bit statt 32) 128-Bit packed byte integers (8 Bit Ganzzahlen) 128-Bit packed word integers 128-Bit packed doubleword integers 128-Bit packed quadword integers Hinweis: 16 Bit = 1 word, 32 Bit = 1 doubleword, 64 Bit = 1 quadword Die Erweiterungen SSE3, SSE4 und SSE4 fügten weitere Befehle hinzu.
AVX (Advanced Vector eXtensions), AVX2	Core i3, i5, i7 (2011)	Verdoppelt die Breite der SSE-Register auf 256 Bit und führt neue 256 Bit lange Befehle ein. Außerdem gibt es ein neues Befehlsformat mit 3 Operanden (c = a + b). Anders als beim bisher üblichen 2-Operanden-Format (a' = a + b) wird der Inhalt des Quellegisters nicht vom Ergebnis überschrieben. Dadurch entfällt das aufwändige Kopieren des Operanden in ein anderes Register.

Kurzübersicht Befehlssatzerweiterungen

Erweiterung	Einführung mit	Schwerpunkt	Anwendungen
ABM (Advanced Bit Manipulation)	Bulldozer 2. Gen.	Bit-Manipulation	Bildbearbeitung
AES-NI (Advanced Encryption Standard - New Instructions)	Sandy Bridge, Bulldozer	AES-Verschlüsselung	7-zip, OpenSSL 1.0.1, OpenBSD 4.8+, PGP Desktop 10.1.0+, TrueCrypt, Windows 7+, WinRAR
AVX (Advanced Vector eXtensions)	Sandy Bridge, Bulldozer	Vektor-Befehle	Blender, OpenSSL 1.0.2
BMI (Bit Manipulation Instructions)	Haswell, Bulldozer 2. Gen.	Bit-Manipulation	Bildbearbeitung
CLMUL (CarryLess MULtiplication)	Westmere, Bulldozer	vorzeichenlose Multiplikation	Verschlüsselung, Datenkompression (PNG, zip), Prüfsummen-Berechnung (CRC)
FMA (Fused Multiply Add)	Haswell, Bulldozer	Multiply-Accumulate (MAC)	Dekodierung von Videos, Bildbearbeitung
MPX (Memory Protection eXtensions)	Skylake	Speicherschutz	Linux-Kernel 3.19
SGX (Software Guard eXtensions)	Skylake	Speicherschutz	Schutz vor bösartigem Programmcode, DRM (Digitale Rechteverwaltung)
TBM (Trailing Bit Manipulation)	Bulldozer 2. Gen.	Bit-Manipulation	Bildbearbeitung
TSX (Transactional Synchronization eXtensions)	Haswell	Transaktionen	Datenbanken, Programme mit mehreren Threads
XOP (eXtended OPerations)	Bulldozer	Vektor-Befehle

Mikroarchitektur

Die Mikroarchitektur beschreibt im Gegensatz zur Befehlssatzarchitektur nicht das Programmiermodell eines Prozessors, sondern dessen konkrete, hardwareseitige Umsetzung. Sie bestimmt Aufbau und Funktionsweise des Prozessors (Funktionseinheiten, Daten- und Befehlsflüsse, Steuersignale) aus Sicht des Hardware-Designers. Zur vereinfachten Beschreibung einer Mikroarchitektur werden Blockdiagramme verwendet.

Die Aufteilung des Prozessor-Designs in Befehlssatz- und Mikroarchitektur ermöglicht die Entwicklung von Programmen unabhängig vom internen Aufbau der CPU. Das hat den großen Vorteil, dass ältere Programme auch auf neueren Prozessoren und (teilweise*) umgekehrt funktionieren, solange sie auf einer einheitlichen Befehlssatzarchitektur aufbauen und die Prozessorleistung noch ausreicht. Ein gutes Beispiel ist die x86-Architektur: Selbst Programme, die für einen 8086-Prozessor geschrieben wurden, funktionieren auf einem Core-i3-Prozessor. Unter den Systemvoraussetzungen bei vielen Programmen steht noch heute "x86-kompatible CPU".

*wenn das Programm nicht zwingend eine neuere Befehlssatzerweiterung benötigt, z.B. MMX-Unterstützung

Intel-Mikroarchitekturen (1993 - 2018)

In grau dargestellt sind jeweils alle Befehlssatzerweiterungen und die Architektur

P6 (1995)

Pentium Pro, Pentium II, Pentium III

SSE | MMX | x86

NetBurst (2000)

Pentium IV, Pentium D

SSE3 | SSE2 | SSE | MMX
x86-64

P5 (1993)

Pentium, Pentium MMX

MMX | x86

Sandy Bridge (2011)

Core i3, i5, i7 (2. und 3. Generation)

AES-NI | CLMUL | AVX | SSE4.2
SSE4.1 | SSE3 | SSE2 | SSE | MMX
x86-64

Nehalem (2009)

Core i3, i5, i7

SSE4.2 | SSE4.1 SSE3 | SSE2
SSE | MMX | x86-64

Haswell (2013)

Core i3, i5, i7 (4. Generation), Celeron, Pentium

AVX2 | TSX | SGX | FMA | BMI | AES
CLMUL | AVX | SSE4.2 | SSE4.1
SSE3 | SSE2 | SSE | MMX | x86-64

Core (2006)

Core 2 Duo, Core 2 Quad, Celeron

SSE4.1 | SSE3 | SSE2 | SSE
MMX | x86-64

Skylake (2015)

Core i3, i5, i7 (6., 7. und 8. Generation)
X-Serie (Skylake-X)

MPX | SGX | AVX2 | TSX | FMA | BMI
AES | CLMUL | AVX | SSE4.2 | SSE4.1
SSE3 | SSE2 | SSE | MMX | x86-64

Cascade Lake (2019)

X-Serie (Cascade Lake X)

VNNI
MPX | SGX | AVX2 | TSX | FMA | BMI
AES | CLMUL | AVX | SSE4.2 | SSE4.1
SSE3 | SSE2 | SSE | MMX | x86-64

AMD-Mikroarchitekturen (1996 - 2019)

K5 (1996)

x86

K6 (1997)

K6, K6-2, K6-III

3DNow! | MMX | x86

K7 (1999)

Athlon, Athlon XP, Duron, Sempron

SSE | 3DNow! | MMX | x86

K10 (2007)

Athlon, Athlon X2, Sempron (2. Gen.), Phenom, Phenom II,

SSE4a | SSE3 | SSE2 | SSE
3DNow! | MMX | x86-64

Bulldozer (2011)

Athlon X4, AMD FX (1. und 2. Gen.), AMD A-Serie (1.,2. u. 3. Gen.)

AVX | FMA | BMI | ABM | TBM | XOP
AES | CLMUL | SSE4.2 | SSE4.1 | SSE4a
SSE3 | SSE2 | SSE | MMX | x86-64

Zen (2017)

AMD Ryzen 3, 5, 7, TR (1. Gen.)

AVX2 | AVX | FMA | XOP | BMI | AES
CLMUL | SSE4.2 | SSE4.1 | SSE4a
SSE3 | SSE2 | SSE | MMX | x86-64

K8 (2003)

Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon X2, Athlon FX, Sempron

SSE3 | SSE2 | SSE | 3DNow! |
MMX | x86-64

Zen 2 (2019)

AMD Ryzen 3, 5, 7, TR (3. Gen.)

AVX2 | AVX | FMA | XOP | BMI | AES
CLMUL | SSE4.2 | SSE4.1 | SSE4a
SSE3 | SSE2 | SSE | MMX | x86-64

Hinweis: Der Übersicht halber werden Mikroarchitekturen, die im Wesentlichen auf ihren Vorgänger aufbauen oder nur Änderungen im Fertigungsverfahren beinhalten, nicht aufgeführt