Prozessorarchitektur

Prozessorarchitektur bezeichnet die Gesamtheit der Gestaltungsprinzipien eines Zentralprozessors und damit, wie Befehle ausgeführt werden. Sie umfasst drei Ebenen: die Instruktionssatzarchitektur (ISA), die Mikroarchitektur und die Speicher- bzw. Systemarchitektur.

Die ISA bildet die von Software sichtbare Schnittstelle: Befehlssatz, Adressierungsmodi, Registerdatei und Befehlsformate. Sie beeinflusst Programmierbarkeit, Compiler-Design und Portabilität. Beispiele sind x86, ARM und die offene ISA RISC-V.

Die Mikroarchitektur beschreibt den inneren Aufbau, der die ISA implementiert. Dazu gehören Datapath, Steuereinheit, Pipelines, Registersysteme, Cache-Hierarchien, Speichercontroller und Koherenzlogik bei Mehrkernprozessoren. Typische Merkmale sind Pipelining, superskalare Ausführung, Out-of-Order-Ausführung, spekulative Ausführung und Verzweigungsvorhersage. Moderne CPUs nutzen mehrere Kerne oder Threads, Vektor-/SIMD-Einheiten und Hardware-Beschleuniger.

Die Speicherarchitektur umfasst Cacheebenen (L1, L2, L3), Anbindung an den Hauptspeicher, Speicherhierarchie und Koherenzprotokolle. Sie beeinflusst Latenzen, Bandbreite und Energieverbrauch. Zentrale Ziele sind Leistung, Energieeffizienz, Fläche, Kosten und Sicherheit. Architekturen treffen Trade-offs zwischen Komplexität, Taktfrequenz und Programmierbarkeit; RISC- und CISC-Philosophien beeinflussen Befehlssatzgestaltung, während Von-Neumann- und Harvard-Modelle unterschiedliche Speicherzugriffsstrukturen beschreiben.

Historisch prägten Konzepte wie Von-Neumann- und Harvard-Architekturen, RISC vs. CISC sowie die Entwicklung zu hybriden und heterogenen Systemen das Feld. Zukünftige Trends umfassen offene ISAs, spezialisierte Beschleuniger, verbesserte Speicherkohärenz in Mehrkernsystemen und Energieoptimierung. Softwareentwicklung, Compilertechnik und Systemdesign hängen entscheidend von der Prozessorarchitektur ab.