Prozessorarchitekturen im Vergleich

Rückbezug STP011: grundsätzliche Beschreibung von Maschinensprache

• siehe Beispiel unter dem obenstehenden Link
• Maschinensprache ist spezifisch für die Prozessorarchitektur, genauer die Befehlssatzarchitektur (instruction set architecture, ISA)

heutzutage relevante ISA

• x86: PCs, Notebooks, Server, Supercomputer, Apple Macs bis 2020
• ARM: Smartphones, Tablets, Apple Macs seit 2020, Einplatinencomputer (SBC) wie Raspberry Pi
• Embedded: AVR, MIPS, etc.
• Hochleistungsrechnen: neben x86 noch Power und SPARC
• Neuentwicklungen: RISC-V, LoongArch

Warum ist die Wahl der ISA wichtig?

• ISA beschreibt nominal, wie ein CPU die Bits in einer ausführbaren Binärdatei (sprich: die kodierte Form der Maschinensprache) zu interpretieren hat
• daraus als Konsequenz Festlegung von Hardware-Parametern wie der Adressbreite oder der Anzahl und Größe der verfügbaren Register
• Designentscheidungen in der ISA wirken sich auf die maximal erreichbare Performance und auf die Energieeffizienz aus
• klassischerweise Gegenüberstellung zweier verschiedener Design-Philosophien: Complex Instruction Set Computing (CISC) und Reduced Instruction Set Computing (RISC) (die Grenzen verschwimmen aber in der Praxis)
• historischerweise war CISC die Domäne großer CPU-Hersteller, die sich ein kompliziertes Design leisten konnten, um dem Programmierer Arbeit abzunehmen (z.B. Intel); und RISC die Domäne kleiner CPU-Hersteller, die aus möglichst wenig Arbeitseinsatz möglichst viel erreichen wollten

Was steht in einem Maschinencode-Befehl drin?

• grundsätzlich eine Operation, die ausgeführt wird (z.B. "Addition zweier 64-Bit-Zahlen")
• als Quellen für Argumente und Ziel für das Ergebnis: entweder Register, Speicher oder Immediate-Argumente
  • Beispiel CISC: 20 verschiedene Ausführungen des ADD-Befehls in x86-64
  • Beispiel RISC: 2 verschiedene Ausführungen des ADD- bzw. ADDI-Befehls in RISC-V (RV32I)
• wenn RISC wie bei RISC-V eine Load/Store-Architektur verwendet, muss man also im Zweifelsfall Argumente erst aus dem Speicher in Register laden
  • dadurch tendenziell mehr Maschinencode, aber weniger Komplexität in der CPU

Abwägungen zwischen Energieeffizienz (ARM) und Performance (x86)

• aktueller ARM-Befehlssatz (A64) hat durchgängig 4 Byte große Befehle, was das Dekodieren vereinfacht; x86-Befehle haben eine variable Breite zwischen 1 und 15 Byte
• x86 hat eine lange Pipeline, um u.a. die komplexen Befehle in kleinere Teilschritte (Micro-Operations) zu zerlegen oder bestimmte häufige Befehlssequenzen in effizientere Gruppen (Macro-Operations) zu fusionieren und damit die Performance zu steigern; ARM-Prozessoren machen das nicht und sparen dadurch Energieaufwand
• x86 hat für bestimmte Rollen designierte Spezialregister, die je nach Befehl feste Bedeutungen haben; ARM (und RISC allgemein) verwendet für fast alles 31 General-Purpose-Register