CPUArchitektur

CPUArchitektur bezeichnet die Gesamtheit der Gestaltungselemente, die das Funktionsprinzip und die Leistungscharakteristik eines Zentralprozessors bestimmen. Sie umfasst die Instruction Set Architecture (ISA), Register- und Adressierungsstrukturen, die Befehlsschnittstelle, die Speicherschnittstelle sowie den Aufbau der Recheneinheiten, der Pipeline, der Cache-Hierarchie und der Peripherie. Ziel ist eine definierte Programmierbarkeit und Effizienz innerhalb technischer Grenzen wie Energieverbrauch und Fläche.

Die ISA beschreibt das sichtbare Verhalten gegenüber Software: Welche Befehle existieren, wie viele Register, welche Adressierungsmodi gelten, wie Ausnahmen behandelt werden und welche Speichersysteme unterstützt werden. Die ISA bleibt in der Regel stabil, während darunterliegende Mikroarchitekturen variieren.

Die Mikroarchitektur ist die konkrete Umsetzung innerhalb eines Prozessors und umfasst Pipeline-Struktur, Ausführungseinheiten, Cache-Hierarchie, Speicherverwaltung sowie Techniken wie Branch Prediction und Out-of-Order-Ausführung. Mehrere Mikroarchitekturen können dieselbe ISA verwenden, wodurch Leistung und Energieverbrauch stark variieren.

Speicherhierarchie umfasst Cache-Ebenen (L1/L2/L3), Hauptspeicher und Speichercontroller. Cache-Kohärenzprotokolle wie MESI sichern Konsistenz bei Mehrkernsystemen. Speicherzugriffe, Bandbreite und Latenzen bestimmen maßgeblich die effektive Prozessorleistung.

Parallele Verarbeitung schließt Superscalar-Instanzen, Multikern- und Mehrfach-Threading ein sowie SIMD-Vektoreinheiten (z. B. AVX, NEON). Moderne Systeme integrieren auch Virtualisierungshilfen und spezialisierte Recheneinheiten wie GPUs in zusammenhängende Architekturen.

Beispiele verbreiteter ISAs sind x86-64, ARMv8-A, MIPS und RISC-V. Die Wahl der ISA beeinflusst Programmierparadigmen, Ökosysteme und Marktakzeptanz, während die Mikroarchitektur darüber entscheidet, wie effizient die ISA umgesetzt wird.