Prozessorbreite

• 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

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.

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.

Ursprünglicher x86-Befehlssatz

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.

x86-Architektur (IA32)

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, dass 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

Übersicht: Befehlssatzerweiterungen

RISC-Architekturen

Mikroarchitektur

Intel-Mikroarchitekturen (1993 – 2021)

In grau dargestellt sind jeweils alle Befehlssatzerweiterungen und die Architektur

AMD-Mikroarchitekturen (1996 – 2020)