Prozessorarchitektur

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Prozessorarchitektur ist ein Teilgebiet der Rechnerarchitektur, sie behandelt den Aufbau von Prozessoren. Da es für Prozessoren ein sehr weites Aufgabenspektrum mit stark unterschiedlichen Anforderungsprofilen gibt, wurden auch Prozessoren entwickelt, die unterschiedliche Konzepte von Struktur und Funktionsweise verwirklichen.

[Bearbeiten] Auflistung der einzelnen Prozessorarchitekturen

[Bearbeiten] Unterteilung nach elektronischer Strategie

• Analoge Prozessorarchitektur
• Digitale Prozessorarchitektur
• Synchrone Prozessorarchitektur
• Asynchrone Prozessorarchitektur

[Bearbeiten] Unterteilung nach dem Befehlssatz

• RISC-Prozessor

Ein RISC-Befehlssatz verzichtet zugunsten einer hohen Ausführungsgeschwindigkeit und eines niedrigeren Decodierungsaufwands auf Seiten der CPU konsequent auf komplexe Befehle, wodurch die Ausführung schneller als bei einem CISC-Befehlssatz ist.

• CISC-Prozessor

Ein CISC-Befehlssatz zeichnet sich durch verhältnismäßig leistungsfähige Einzelbefehle aus, die komplexe Operationen durchführen können, aber dafür langsamer als RISC-Befehle sind.

[Bearbeiten] Unterteilung nach der Anzahl der Prozessorkerne

Die Anzahl der Prozessorkerne (Cores) ist der Architektur nur insoweit zuzuordnen, als die einzelnen Kerne per Software auf der Konfigurationsebene angesprochen werden können, es also Instruktionen gibt, die ein vergleichbarer Prozessor mit nur einem Kern nicht kennt. Ansonsten ist ein Multi-Core-Prozessor aus Softwaresicht nur geringfügig von einem Multiprozessorsystem verschieden. Die Anzahl der Kerne ist daher überwiegend der Mikroarchitektur zuzuordnen. In den heutigen Systemen haben sich Single-Core-Prozessoren (Einzelkernprozessoren, Mikroprozessoren mit einem Prozessorkern) und Dual-Core-Prozessoren (Doppelkernprozessoren, Mikroprozessoren mit zwei Kernen) durchgesetzt; es werden aber neuerdings auch Quad-Core-Prozessoren (Vierkernprozessoren) entwickelt.

[Bearbeiten] Single-Core-Parallelprozessoren

• CISC-Prozessoren

CISC ist eine bestimmte Eigenschaft der Instruction Set Architecture (ISA) eines Prozessors. Bei CISC-Prozessoren gibt es viele, komplexe Befehle, die normalerweise in jeweils vielen Taktzyklen abgearbeitet werden. Prozessoren mit CISC-Befehlssatz sind in der Regel intern mit Hilfe vom Microcode realisiert.

• RISC-Prozessoren

Auch RISC ist eine Eigenschaft der Instruction Set Architecture (ISA). Hier ist der Befehlssatz einfach aufgebaut, so dass der Prozessor theoretisch in der Lage ist, jeden Befehl innerhalb eines einzigen Taktzyklus auszuführen. Das Attribut Reduced in RISC ist nicht bezüglich der Anzahl der verfügbaren Prozessorbefehle zu sehen, sondern in der Mächtigkeit der einzelnen Befehle.

• EPIC-Prozessoren

EPIC bezeichnet eine Eigenschaft einer Instruction Set Architecture (ISA) und der Verarbeitungsstruktur einer Familie von Mikroprozessoren. Bei der Programmierung von EPIC CPUs wird die Parallelisierung der Befehle eines Instruktionsstromes explizit vorgenommen.

• VLIW-Prozessoren

VLIW bezeichnet eine Eigenschaft einer Instruction Set Architecture (ISA) einer Familie von Mikroprozessoren. Ziel ist die Beschleunigung der Abarbeitung von sequentiellem Programmcode. VLIW-Prozessoren sind meistens auch RISC-Prozessoren.

• SMT-Prozessoren

Als Simultaneous Multithreading (SMT) bezeichnet man die Fähigkeit eines Mikroprozessors, mittels getrennter Pipelines und zusätzlicher Registersätze mehrere Threads simultan gleichzeitig auszuführen.

• HTT-Prozessoren

Als Hyper-Threading Technologie (HTT) (abgeleitet von Multithreading) bezeichnet Intel seine Implementierung von Simultaneous Multithreading (SMT) in den Prozessoren Pentium 4 und Xeon.

• Pipeline-Prozessoren

Die Pipeline-Architektur (oft auch kurz Pipelining genannt) beschreibt die Fähigkeit von Mikroprozessoren, die Abarbeitung von Maschinenbefehlen so zu parallelisieren, dass möglichst alle Funktionselemente des Mikroprozessors voll ausgelastet werden. Der Zweck jedes Pipelinings ist es, komplexe Befehle in einfachere Einzelaktionen zu zerlegen, die dann parallelisiert werden können.

• superskalare Prozessoren

Eine superskalare Rechnerarchitektur ist eine Erweiterung der Pipelining-Funktionalität, die sich in allen modernen Prozessoren finden lässt. Unter Superskalarität versteht man die Eigenschaft eines Prozessors, mehrere Befehle gleichzeitig durch dynamische Zuteilung an parallel arbeitende Funktionseinheiten übergeben zu können.

• MIPS-Architektur

Die MIPS-Architektur (Microprocessor without interlocked pipeline stages, etwa Mikroprozessor ohne Pipeline-Sperren) ist eine RISC-Prozessorarchitektur, die ab 1981 von John Hennessy und seinen Mitarbeitern an der Stanford University entwickelt wurde.

EPIC, VLIW und MIPS sind Architekturen (bzw. Architekturaspekte) im engeren Sinne, wogegen HT(T), Pipelining und Superskalarität Implementierungsdetails sind. Es kann für dieselbe Architektur mehrere Prozessoren geben, die diese Techniken teils nutzen, teils aber auch nicht. Damit gehören diese Aspekte zur Mikroarchitektur.

[Bearbeiten] Unterteilung nach Adress- oder Daten-Bus-Breite

Während als Hauptprozessor in modernen PCs oder Servern nur noch General-Purpose-Prozessoren mit 32 oder 64 Bits Datenbreite genutzt werden sind Spezialprozessoren wie Mikrocontroller, Signalprozessoren, Grafikkarten, oder Buscontroller mit sehr unterschiedlicher Datenbreite im Einsatz. Derartige Prozessoren können in einer (z.B. auf ein Feldbusprotokoll) maßgeschneiderten Bitbreite entworfen und z.B. einem ASIC oder FPGA realisiert werden.

[Bearbeiten] Prozessorarten

• Hauptprozessor (CPU)

Der Hauptprozessor, im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch nur als Prozessor bezeichnet, ist der zentrale Prozessor eines Computers, der alle anderen Bestandteile steuert.

• Mehrkernprozessor

Als Mehrkernprozessor (auch: Multicore-Prozessor oder Multikernprozessor), bezeichnet man einen Mikroprozessor mit mehr als einem vollständigen Hauptprozessor.

• Parallelprozessoren
• Koprozessor

Ein Koprozessor ist ein zusätzlicher Mikroprozessor, der den Hauptprozessor bei seiner Arbeit unterstützt. Beispiel ist ein mathematischer Koprozessor.

• Mikroprozessoren

Ein Mikroprozessor (griech. mikros für klein) ist ein Prozessor in sehr kleinem Maßstab, bei dem alle Bausteine des Prozessors auf einem Mikrochip vereinigt sind.

• Mikrocontroller

Mikrocontroller (auch µController, µC, MCU) sind Ein-Chip-Computersysteme, bei welchen nahezu sämtliche Komponenten (wie z. B.: CPU, Programmspeicher (meist auf ROM- oder Flash-Basis), Arbeitsspeicher (auf SRAM-Basis), Ein-/Ausgabe-Schnittstellen) auf einem einzigen Chip (Integrierter Schaltkreis) untergebracht sind.

• Digitaler Signalprozessor (DSP)

Ein digitaler Signalprozessor ist ein Pozessor, der analoge Signale mit Hilfe digitaler Systeme verarbeitet.

• Spezialisierte Ein-/Ausgabeprozessoren (I/O)

Spezialisierte Ein-/Ausgabeprozessoren sind Prozessoren, die Ein- und Ausgabegeräte steuern.

[Bearbeiten] Koprozessoren

• Mathematischer Koprozessor (FPU, Floating Point Unit)

Ein mathematischer Koprozessor ist eine spezielle CPU, die der Verarbeitung von Gleitkommazahlen dient.

• Grafikprozessor (GPU, neuerdings auch zunehmend VPU, Visual Processing Unit)

Der Grafikprozessor dient zur Berechnung der Grafikinformationen für die Bildschirmausgabe.

• Soundprozessoren (SPU, Sound Processing Unit)

Ein Soundprozessor ist ein auf Klangverarbeitung und -erzeugung spezialisierter Prozessor.

• Physikbeschleuniger (PPU, Physics Processing Unit)

Ein Physikbeschleuniger soll die CPU speziell bei physikalischen Berechnungen entlasten.

[Bearbeiten] Spezialprozessoren

• ARM-Architektur

Die ARM-Architektur ist ein Kern-Design für eine Familie von 32-bittigen Mikroprozessoren, die dem RISC-Konzept folgen.

• Notebookprozessor

Der Notebookprozessor, auch Mobilprozessor, ist eine Unterart der Prozessoren, die vor allem in mobilen und auch in besonders stromsparenden Computersystemen eingebaut wird.

• Bit-Slice-Prozessoren (kaskadierfähige Prozessoren um größere Bitbreiten zu verarbeiten)

Ein Bit Slice ist ein vorgefertigter Baustein in Form eines integrierten Schaltkreises, der in der Mikroelektronik zum individuellen Bau eines Prozessors verwendet wird. Bit-Slicing bezeichnet eine Methode aus der Rechnerarchitektur, bei der man aus mehreren arithmetisch-logischen Einheiten, die alle auf sehr kleine Worte (meist 4 Bit lang) rechnen - den Bit Slices - größere Rechenwerke zusammenbaut.

• Selbstkonfigurierende Systeme

Bei Selbstkonfigurierenden Systemen handelt es sich um digitale Elektronik, die sich bei Bedarf oder aufgrund eines Programmes in ihrer logischen Funktionsweise (Schaltung) verändert.

• DLX-Mikroprozessor

Der DLX-Mikroprozessor ist eine hypothetische Prozessorarchitektur. Der DLX-Prozessor wird mit einem RISC-Befehlssatz (Reduced Instruction Set Computing) angesteuert und besitzt 32 Register, wobei R0 immer fest verdrahtet mit 0 ist.

[Bearbeiten] Asynchrone Prozessoren

Im Gegensatz zu praktisch allen zuvor genannten Prozessoren, die taktgesteuert sind, gibt es auch ungetaktete, asynchrone Prozessoren. Da sie ohne Taktung auskommen, weisen asynchrone Prozessoren eine im Hochfrequenzbereich geringere und wesentlich weniger prägnante Abstrahlung auf und verbrauchen während Prozesspausen praktisch kaum nennenswert Strom. Theoretisch passt sich deren Leistung den elektrophysikalischen Möglichkeiten und der softwarelogischen Bedarfssituation an. Allerdings gibt es für asynchrone digitale Schaltungen weit weniger ausgereifte Entwicklungstechniken, weshalb dieser Ansatz seltener verfolgt wird.

Im Jahre 2006 wurde von der Firma ARM der erste kommerzielle ungetaktete, asynchrone Prozessor vorgestellt, der ARM996HS.