Rechnerstrukturen

Rechnerstrukturen beschreibt die Organisation und den Aufbau elektronischer Rechenanlagen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen. Sie betrachtet sowohl die logische Struktur, festgelegt durch eine Instruction Set Architecture (ISA), als auch die physische Umsetzung in Mikroarchitektur und Schaltungen. Ziel ist es, Rechenleistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren.

Zu den Kernkomponenten gehören die zentrale Recheneinheit mit Rechenwerk (ALU), Steuerwerk und Registersatz, eine Speicherhierarchie mit Cache, Arbeitsspeicher und Sekundärspeicher sowie Eingabe-/Ausgabesysteme und das Bussystem. Die ISA definiert Befehle und Datenformate; die Mikroarchitektur beschreibt, wie Befehle physisch ausgeführt werden (Pipelining, Out-of-Order, Spekulation).

Typische Paradigmen sind die Von-Neumann-Architektur, bei der Code und Daten über gemeinsame Speicherstrukturen laufen, und Harvard-Architektur mit separatem Speicher für Befehle und Daten. In der Praxis unterscheiden sich Systeme durch ISA-Design (z. B. CISC vs. RISC) sowie durch Mikroarchitekturen, die Techniken wie Superskalare Ausführung einsetzen. Moderne Systeme nutzen Mehrkernprozessoren, Multithreading, SIMD und komplexe Cache-Kohärenzprotokolle.

Die Leistungsfähigkeit ergibt sich aus Metriken wie Taktfrequenz, Zyklen pro Befehl (CPI), Durchsatz und Energieeffizienz. Speicherhierarchie, Cache-Größe, Cache-Latenz und Pipeline-Tiefe beeinflussen die Effektivität stark. Trends umfassen offene ISAs (z. B. RISC-V), ARM- und x86-Architekturen, heterogene Systeme mit Beschleunigern sowie fortschrittliche Interconnects und Speichersysteme.

Rechnerstrukturen bilden die Grundlage für Server, Desktop-Rechner, mobile Endgeräte und Hochleistungsrechner. Die Wahl von Architektur, ISA und Mikroarchitektur bestimmt Komplexität, Kosten und Leistung; Entwicklung und Optimierung erfordern enge Abstimmung zwischen Hardware, Compilertechniken und Betriebssystemen.