RISC-Architektur

Die stetige Weiterentwicklung der Mikroprozessoren, vor allem im Hinblick auf Kompatibilität zu ihren Vorgängertypen wurde geleitet von folgenden Zielen:

• Erweiterung des Funktionsspektrums von höheren Programmiersprachen durch Schaffung von flexiblen Compilerinstruktionen, die direkt in die Hardware implementiert werden konnten.

• Die Verschiebung der zeitintensiven Teile des Betriebssystems in den Mikrocode.

• Die Zurverfügungstellung anwendungsorientierter Befehle, die der Anwender selbst in Mikroprogramme implementieren konnte.

Die so entstandenen Computer zeichneten sich durch ein breites Spektrum von relativ komplexen Instruktionen, bestehend jeweils aus mehr als 200 Instruktionen auf der Assemblerebene aus. Diese Architektur wird mit CISC (complex instruction set computer) bezeichnet. Sie hat unter anderem folgende Vorteile:

• Mikrocode-Implementierungen sind schneller als entsprechende Softwarebefehle in Programmen.

• Mikroprogramme gestatten die Implementierung von komplexen Instruktionen, die sowohl den Anforderungen an höhere Programmiersprachen, als auch an Anwendungssoftware (u.a. Verkürzung der Programme) Rechnung trugen.

Untersuchungen den US-Universitäten Berkeley und Stanford Ende der 70er Jahre zeigten jedoch die Leistungsgrenzen der CISC-Architekturen:

• Viele komplexe Instruktionen werden in der Praxis nur selten angewendet.

• Komplexe Instruktionen erfordern relativ aufwendige Codierung und Decodierung.

• Kostenintensive Realisierung der CISC-Architektur, da im Prozessorchip viele Funktionen und Unterstützungsmittel implementiert werden müssen.

Der entscheidende Nachteil ist, daß CISC-Prozessoren in rund 80 Prozent aller Anwendungen lediglich 20 Prozent der vorhandenen Befehle nutzen, wobei die einfachsten Befehle am häufigsten verwendet werden. Dies führte schließlich zu den RISC- (reduced instruction set computer) Architekturen, deren wesentliche Merkmale sind:

• Verwendung einer kleinen Zahl von einfachen Befehlen (bis ca. 100), die die Herstellung einfacher Chips gestattet.

• Befehle haben ein einfaches und festes Format, was einfache und schnelle Decodierung des Operationscodes ermöglicht. Dies gestattet den Verzicht auf Mikroprogramme durch Befehlsimplementierung in Hardware.

• Abarbeitung der Befehle in einem einzigen Maschinenzyklus

• Beschränkung der Kommunikation des Prozessors mit dem Speicher auf Laden und Speichern. Alle anderen Manipulationen geschehen innerhalb der Register des Prozessors. Das vereinfacht die Adressierung und erfordert eine große Zahl von Registern (bis zu 1000) auf dem Chip.

• RISC-Maschinen erfordern einen größeren Compilationsaufwand als CISC-Maschinen. Aufgrund der geringen Anzahl von Befehlen und Adressierungsarten muß mehr Aufwand in Compiler gesteckt werden, die die einfachen Befehle möglichst optimal ordnen und pipelining ermöglichen.

Ein Beispiel für einen RISC-Prozessor ist der ebenfalls für Multiprozessorsysteme geeignete Intel i860, der Anfang 1989 vorgestellt wurde. Er besitzt als erster Mikroprozessor eine Rechenleistung, die mit den ersten Supercomputern der Klasse CRAY vergleichbar ist. Der i860 kann in einem Taktzyklus bis zu 3 Befehle ausführen. Das könnten z.B. je eine Gleitkomma-Addition und eine -Multiplikation sowie ein Integerbefehl sein. Damit erreicht der Prozessor bei einem Takt von 40 MHz im günstigsten Fall 80 MFLOPS und gleichzeitig 40 Mio. Integerbefehle, was eine Gesamtleistung von 120 MIPS (million instruction per second) ergibt. Zum Vergleich: Ein Transputer erreicht bei 20 MHz etwa 10 MIPS und 2,2 MFLOPS. Die große Leistung wird beim i860 durch den 64-Bit-Datenbus und einer internen Pipeline-Architektur erreicht, wie sie von einer CRAY bekannt ist. Der aus 9 Funktionseinheiten bestehende Prozessor i860 vereinigt auf einem Chip die Fähigkeiten eines Supercomputers mit denen einer 3D-Grafik-Workstation, da auch eine Grafikeinheit implementiert ist. Sie unterstützt mit Hilfe einer eigenen Integer-Logik dreidimensionale Darstellung von Körpern und deren Manipulation im Bildspeicher. Neben der Kerneinheit, die den gesamten internen Ablauf steuert und u.a. auch die Integerbefehle verarbeitet, gibt es die FPU, die aus Fließkomma-Controler, -Addierer und -Multiplizierer besteht und 64-Bit-Fließkommazahlen verarbeitet. Eine Speicherverwaltungseinheit, ergänzt um einen 4-kByte großen Befehlscache und einen 8 kByte großen Datencache sowie eine Buskontroll-Einheit sorgen für die Anbindung des Prozessors an den Arbeitsspeicher. Es sind PC-Erweiterungskarten und Compiler im Handel, die aus einem gewöhnlichen PC eine ,,Cray auf dem Schreibtisch`` machen. Die Leistungsmerkmale solcher RISC-Prozessoren haben mehr und mehr den Markt für Personal Computer verändert.