Was sind Prozessorarchitekturen?

RISC-V-Architektur?

Die heutige Technologiewelt wird von zwei Hauptfamilien von Prozessorarchitekturen dominiert: x86, der wir hauptsächlich im Bereich der Personal Computer begegnen und wo die überwiegende Mehrheit der Prozessoren von den Unternehmen Intel und AMD hergestellt wird, und ARM, die den Rest der Welt dominiert, von Prozessoren für Mobiltelefone (SoC, System-on-a-Chip) bis hin zu Prozessoren, die zu Tausenden in Rechenzentren eingesetzt werden. Dieses Gleichgewicht, das zu Beginn des Sommers 2024 durch die Einführung leistungsstarker Notebooks mit Snapdragon-Prozessoren und Windows on ARM gestört wurde, wird bald durch die Ankunft einer dritten Architektur erneut ins Wanken geraten: RISC-V. Diese Architektur ist völlig neu – und da sie unter die Open Architecture fällt, ist sie offen und für Hardwarehersteller völlig kostenlos verfügbar.

Das RISC-V-Projekt ist relativ jung, hat sich aber bereits von der Entwurfsphase zu den ersten Generationen realer Hardware weiterentwickelt, die für die Entwicklung und das Prototyping zukünftiger Produkte verwendet wird. Aufgrund der internationalen politischen Lage ist auch China an der Entwicklung von Produkten mit RISC-V-Prozessoren interessiert und investiert erhebliche Mittel sowohl in die Entwicklung von Prozessoren mit dieser Architektur als auch in die Entwicklung von Betriebssystemen und Anwendungsentwicklungstools für die neue Hardware. In dieser Miniserie werden wir erklären, was RISC-V eigentlich ist, wie es im Vergleich zu aktuellen Architekturen abschneidet und warum es für chinesische Hersteller so attraktiv ist. Ein CPU Vergleich beziehungsweise Prozessor Vergleich zeigt dabei besonders deutlich, wie unterschiedlich die einzelnen Architekturen aufgebaut sind und welche Schwerpunkte sie setzen.

Was ist CPU? Was ist ein Prozessor? Grundlagen der Prozessorarchitekturen

Die CPU, also der Prozessor, ist die grundlegende Einheit eines Computers, die ihn steuert. Der Prozessor wird durch Programme gesteuert, die heute sogar von künstlicher Intelligenz generiert werden können, typischerweise aber von Programmierern in höheren Programmiersprachen geschrieben werden. Diese Programme werden in die einzige Sprache übersetzt, die der Prozessor selbst „versteht“: den Maschinencode. Der Maschinencode eines Prozessors besteht aus Befehlen, die den Befehlssatz (ISA, Instruction Set Architecture) bilden – dieser ist eng mit den Steuerstrukturen des Prozessors und seiner Architektur im Allgemeinen verbunden.

Es gibt eine Vielzahl von Prozessorarchitekturen, die unterschiedliche Philosophien verfolgen. In der Vergangenheit waren bei Programmierern sogenannte speicherorientierte Architekturen sehr beliebt, bei denen der Prozessor nur über minimalen eigenen Speicher zum Speichern von Zwischenergebnissen (Registern) verfügte und stattdessen direkt mit dem Speicherinhalt arbeitete. Der Prozessor las beispielsweise die Eingabedaten an den Adressen, die der Programmierer ihm vorgegeben hatte, und schrieb das Ergebnis an die durch die erste Adresse vorgegebene Stelle. Dieser Ansatz ermöglichte es, sehr eleganten Code zu schreiben, aber im Laufe der Entwicklung stieg die Geschwindigkeit der Prozessoren im Vergleich zum Speicher erheblich an, und dieser Ansatz wurde sehr langsam.

Load-Store-Architektur und der moderne Ansatz

Heute wird die sogenannte Load-Store-Architektur verwendet, bei der der Prozessor mit einem ganzen Satz interner Register arbeitet, in die er Daten aus dem Hauptspeicher mit Leseanweisungen (Load) lädt und sie dort mit Schreibanweisungen (Store) speichert. Diese scheinbare Komplikation hat den entscheidenden Vorteil, dass es sich um Befehle für das unabhängige Speichersubsystem des Prozessors handelt. Dieses weiß, dass Daten gelesen oder geschrieben werden, und kann diese Operationen optimieren. Beispielsweise kann es das Lesen im Voraus durchführen und auch die Datenkonsistenz im Zwischenspeicher (Cache) verwalten.

Während früher Prozessoren mit minimalem Design als elegant galten, wird heute die Gesamtleistung bevorzugt – und damit auch ein relativ komplexes System zur Optimierung der Befehlsreihenfolge und deren Verteilung auf einzelne Prozessoreinheiten. Wie der Prozessor diese Operationen ausführt, ist genau eine Frage seiner Architektur. Prozessorarchitekturen sind voller Kompromisse, und ihre Optimierung sowie die Auswahl der Befehle sind keine einfache Angelegenheit. Um effizient zu sein, müssen Prozessoren aus Gründen der Abwärtskompatibilität zudem auch ältere Befehle unterstützen.

Moderne Prozessoren müssen nicht nur klassische Befehle unterstützen, sondern auch spezialisierte Befehle, die beispielsweise bei der Verarbeitung von Video, Audio oder neuerdings auch künstlicher Intelligenz helfen. Diese Befehle steuern spezialisierte Einheiten innerhalb des Prozessors, aber das ist noch nicht alles. Moderne Prozessoren müssen sich auch um die Sicherheit kümmern, also um die Rechte einzelner Programme, nur auf den Teil des Speichers zuzugreifen, der ihnen gestattet wurde, um den Schutz des Betriebssystemkerns oder um die Beschleunigung der Kryptografie. Die Kryptografie ermöglicht es, Daten in kryptografisch geschützter Form auf der Festplatte oder im Arbeitsspeicher des Computers zu speichern.

Die Entwicklung bedeutender Familien von Prozessorarchitekturen bestand die meiste Zeit über aus dem Experimentieren mit neuen Befehlen und deren Bedeutung für Betriebssysteme. Es wurde untersucht, wie Befehle decodiert und ihre Ausführung optimiert werden können – und oft wurde die Trial-and-Error-Methode angewendet. Mit dem Hinzufügen neuer Funktionen und Befehle kam es auch vor, dass sich einige als nutzlos erwiesen und entfernt wurden (veraltete, eingestellte Befehle). Eine Liste davon finden Sie beispielsweise auf Wikipedia. Wenn der Prozessor die Aufgabe erhält, einen ihm unbekannten Befehl zu verarbeiten, löst er eine UD-Ausnahme (UnDefined instruction) aus, was typischerweise zur Beendigung des laufenden Programms führt.

Versteckte Befehle und Mikrocode

Neben veralteten Befehlen gibt es auch „geheime“ oder vielmehr undokumentierte Befehle. Diese tauchten bereits bei alten Prozessoren wie dem Zilog Z80A (1977) auf. Manchmal handelte es sich um unvollendete Befehle, experimentelle Befehle oder Befehle, die ihre geplante Funktion nicht richtig erfüllten, sodass sie nicht in den offiziellen Befehlssatz aufgenommen wurden.

Heute gibt es auch undokumentierte Befehle, die manchmal zur Bedienung des Prozessors selbst dienen, beispielsweise zur Manipulation seines eigenen internen Mikrocodes, wie Hacker im Jahr 2020 bei Intel-Prozessoren entdeckten. Diese Befehle sind nicht öffentlich dokumentiert, da sie nicht für Anwendungsprogrammierer bestimmt sind. Hacker haben jedoch verständlicherweise Freude an ihrer Entdeckung. Die Prozessorhersteller schützen diese Geheimnisse natürlich, da die Möglichkeit, den Mikrocode von Prozessoren zu ändern, entscheidend für die Behebung von Prozessorfehlern aus der Ferne ist.