processorarkitektur

Processorarchitektur bezeichnet die Gesamtheit der Strukturen und Prinzipien, die das Funktionieren eines Prozessors bestimmen. Sie umfasst die Instruction Set Architecture (ISA) – die vom Architekturrahmen definierte Befehlssprache, Adressiermethoden, Datenformate und das Speichermodell – sowie die Microarchitektur, die diese ISA physisch implementiert und die interne Organisation von Recheneinheiten, Registern, Pipeline, Cache und Kontrolllogik beschreibt.

Zu den Kernkomponenten gehören der Datapath mit Rechenwerk (ALU) und Gleitkommaeinheiten (FPU), Registerdatei, Load/Store-Einheit, Cache-Hierarchien, Speichersysteme und die Steuerlogik sowie die Interkonnektivität zwischen CPU-Kernen.

Typische Merkmale moderner Prozessorarchitekturen sind Pipelines, Superskalare Ausführung, Out-of-Order-Execution, Branch Prediction und Spekulation, sowie Cache-Coherence in Mehrkernsystemen.

Architekturstile unterscheiden sich oft durch das Verhältnis von ISA und Mikroarchitektur: RISC-Architekturen betonen einfache Anweisungsformen, CISC-Architekturen nutzen komplexere Befehle; Harvard- und Von-Neumann-Speichermodelle betreffen den Speicherzugriff. In modernen Systemen arbeiten CPUs häufig als Mehrkern- oder Multi-Threading-Systeme; SIMD- und Vektorrecheneinheiten unterstützen parallele Datenverarbeitung.

Bekannte ISA-Beispiele sind x86-64 (CISC), ARMv8-A (RISC-basiert) und RISC-V (offenes ISA). Die Mikroarchitektur variiert stark zwischen Herstellern und Modellen und beeinflusst Leistung, Energieverbrauch und Reaktionszeit unabhängig von der ISA.

Trends in der Prozessorarchitektur umfassen Energie- und Leistungsoptimierung, DVFS, fortgeschrittene Skalierung, spezialisierte Beschleuniger sowie offene Ökosysteme und Sicherheitsaspekte wie Schutz vor spekulativer Ausführung.