mikroarchitekturen

Eine Mikroarchitektur beschreibt die konkrete Umsetzung eines Prozessors auf der Ebene der Datentransferpfade, Registerdateien, Steuerlogik und der Speicherhierarchie. Sie bestimmt, wie die Anweisungen einer Befehlssatzarchitektur (ISA) in physische Operationen, Speichervorgänge und Datenpfade überführt werden. Dabei trennt sie die Programmier- und Architekturebene (ISA) von der konkreten Implementierung; mehrere Mikroarchitekturen können dieselbe ISA realisieren.

Typische Merkmale einer Mikroarchitektur sind ein ausgeprägtes Pipeline-Design, oft kombiniert mit Superskalareitung, Out-of-Order-Ausführung, Registerrenaming, einem Reorder Buffer (ROB) und Dispatch-/Issue-Queues. CPU-Operationen erfolgen so, dass mehrere Befehle gleichzeitig verarbeitet werden können, während Abhängigkeiten aufgelöst und Ergebnisse später wieder zusammengeführt werden. Weitere zentrale Elemente sind die Cache-Hierarchie (L1/L2/L3), der Speichercontroller, der Adressbus und die Vorhersageeinheiten zur Sprungvorhersage. Die Leistungsfähigkeit hängt stark von der Tiefe der Pipeline, der Effizienz des Speichersystems, der Effektivität der Vorhersage und vom Energie- bzw. Wärmeverhalten ab. Designentscheidungen betreffen außerdem die Größe der Registerdateien, die Menge an Cache und die Unterstützung von SIMD-Vektoroperationen.

Mikroarchitekturen entwickeln sich oft unabhängig von der ISA weiter und spiegeln neue Techniken wider, etwa verbesserte Vorhersage, effizientere Ausführungseinheiten oder heterogene Rechenkerne. Bekannte Beispiele sind Intel-Mikroarchitekturen wie Nehalem, Sandy Bridge, Skylake und späteren Iterationen, AMDs Zen-Generationen, ARM-basierte Cortex-/Neoverse-Designs sowie Implementierungen auf RISC-V-Basis. Insgesamt bestimmt die Mikroarchitektur, wie die in einer ISA definierten Befehle praktisch ausgeführt werden und wie leistungsfähig ein Prozessor ist.