Architekturerweiterung und moderne Konzepte

Seit der Einführung der 8-Bit-Mikroprozessoren sind aufgrund erheblich gestiegener Anforderungen und begünstigt durch große Fortschritte in der Herstellungstechnik die Leistungsdaten der nachfolgend eingeführten Mikroprozessoren drastisch verbessert worden. Dies wurde erreicht durch Erweiterung bestehender Mikroprozessor-Architekturen (z.B. größere Wortbreite), durch Übernahme von Techniken aus dem Mini- und Großrechnerbereich (z.B. virtuelle Speichertechnik), sowie durch Einführung neuer Konzepte (z.B. RISC -- engl. reduced instruction set computer). Darüberhinaus werden in Zukunft verstärkt neue Materialien auch im Mikrorechnerbereich eine Rolle spielen (z.B. Gallium-Arsenid -- GaAs).

Die wesentlichen Verbesserungen durch Erweiterungen betreffen folgende Merkmale: (kursiv gedrucktes wird im Anschluß näher erläutert)

• Vergrößerung der Wortbreite auf 16 Bit und 32 Bit und 64 Bit.

• Vergrößerung des Adreßraums auf 1 MByte $(2^{20})$, 16 MByte $(2^{24})$ oder 4 GByte $(2^{32})$ und erweiterte Adressierungsarten.

• umfangreicherer und allgemein verwendbarer Registersatz, größere Breite für Daten und Adreßberechnung.

• erweiterte Befehlsliste mit weitgehender Aufwärtskompatibilität zu den 8-Bit-Mikroprozessoren, u.a. Befehle für Multiplikation/Division, Systemfunktionen (privilegierte Befehle), Steuerfunktionen.

• Maßnahmen zur Datensicherung und zum Schutz von Systemfunktionen gegen Fehlbedienung, z.B. durch Unterscheidung zwischen System- und Normal-Betriebsart des Mikroprozessors.

• vielseitiges Interrupt- und Trapsystem zur Behandlung externer Interruptanforderungen und bestimmter Zustände des Programmablaufs.

• höhere Taktraten.

Zu den aus dem Mini- und Großrechnerbereich eingeführten Techniken zählen insbesondere

• spezielle Adressierungstechniken (Segmentierung, Seitenadressierung, virtuelle Speichertechnik) mit Befehlen zu ihrer Unterstützung.

• Realisierung von Speicherverwaltungseinheiten (MMU).

• Multitaskingfähigkeit mit Befehlen zur Unterstützung der Schutzfunktionen des Betriebssystems (z.B. gegenseitige Sicherung der Speicherbereiche verschiedener Tasks).

• Interne Warteschlangen für Befehle, Daten und Adresse.

• Interne oder externe Befehls- und Daten-Caches (schnelle Zwischenspeicher) zwischen CPU und Arbeitsspeicher für schnellen Zugriff (auch: zwischen Arbeits- und externen Speicher, z.B. Platte).

• Parallel- oder Fließbandverarbeitung von mehreren Befehlen durch gleichzeitige Arbeit mehrerer Funktionseinheiten des Mikroprozessors, auch unter Einschluß von Coprozessoren.

• Multiprozessorsysteme mit Parallelarbeit von mehreren gleichberechtigten Prozessoren (z.B. Transputer).

Im folgenden soll auf einige wichtige Merkmale näher eingegangen werden.