Processorarchitectuur

Processorarchitectuur omvat de structuur en organisatie van een centrale verwerkingseenheid (CPU) en de wijze waarop deze uitvoering van programma-instructies regelt. Het omvat de hardwarematige implementatie van de instructieset, datapath en controle-logica, de geheugenhiërarchie, registers en interconnects, en mechanismen voor parallelisme en synchronisatie. Het doel is betrouwbare prestaties binnen gegeven kosten, ruimte en warmtebehoefte.

In de studie wordt vaak onderscheid gemaakt tussen de instructiesetarchitectuur (ISA) en de microarchitectuur. De ISA definieert welke instructies software kan gebruiken en hoe deze worden benaderd. Voorbeelden zijn x86, ARM en RISC-V. De microarchitectuur bepaalt hoe die instructies feitelijk worden uitgevoerd door componenten als datapath, decoders, pipelines, caches en de controle-logica. Technieken zoals pipelining, superscalar uitvoering, out-of-order verwerking en branch predictie spelen daarbij een rol.

Belangrijke ontwerpkeuzes omvatten pijplijndiepte en -breedte, cachehiërarchie, geheugencoherentie, interconnecties tussen cores en energiebeheer. Deze keuzes leveren trade-offs op tussen prestaties, verbruik, chipoppervlak en complexiteit. Beveiliging en betrouwbaarheid zijn steeds relevanter, bijvoorbeeld tegen side-channel-aanvallen en foutenbestendigheid.

Historisch zijn processorarchitecturen geëvolueerd van eenvoudige seriële uitvoering naar complexe multicore- en heterogene systemen, met ontwikkelingen als RISC, CISC, superscalar en speculative execution. Hedendaagse systemen combineren verschillende cores met gespecialiseerde accelerators voor AI, graphics en cryptografie, en maken steeds vaker gebruik van open standaarden zoals RISC-V om innovatie te bevorderen.

Toepassingen variëren van microcontrollers in embedded systemen tot servers en AI-accelerators in datacenters. Ontwerpen worden getoetst met simulatie en benchmarking om IPC, latency, throughput en energie-efficiëntie te evalueren. De discipline combineert theoretische principes met realistische fabricage- en kostenbeperkingen.