Rechnerarchitektur

In der Computertechnik ist die Computerarchitektur der konzeptionelle Entwurf und die grundlegende Betriebsstruktur eines Computersystems. Sie ist die technische Zeichnung und funktionelle Beschreibung aller Designanforderungen (insbesondere Geschwindigkeiten und Verbindungen), sie ist die Art und Weise, wie verschiedene Teile eines Computers entworfen und implementiert werden - wobei der Schwerpunkt weitgehend auf der Art und Weise liegt, wie die Zentraleinheit (CPU) intern arbeitet und wie sie auf Adressen im Speicher zugreift.

Sie kann definiert werden als die Wissenschaft und Kunst, Hardwarekomponenten auszuwählen und miteinander zu verbinden, um Computer zu schaffen, die die Funktions-, Leistungs- und Kostenziele erfüllen.

Die Computerarchitektur umfasst mindestens drei Hauptunterkategorien:

Die Befehlssatzarchitektur oder ISA ist das abstrakte Modell eines Computersystems, das von einem Programmierer in Maschinensprache (oder Assembler) gesehen wird, einschließlich des Befehlssatzes, der Speicheradressmodi, der Prozessorregister und der Adress- und Datenformate.
Mikroarchitektur, auch als Computerorganisation bekannt, ist eine niedrigere Ebene, eine detaillierte Beschreibung des Systems, die ausreicht, um den Betrieb aller Teile des Computersystems vollständig zu beschreiben, und wie sie miteinander verbunden sind und zusammenwirken, um die ISA zu implementieren. Die Größe des Cache-Speichers eines Computers zum Beispiel ist eine organisatorische Frage, die im Allgemeinen nichts mit dem ISA zu tun hat.
Systementwurf, der alle anderen Hardwarekomponenten innerhalb eines Computersystems umfasst, wie z.B:

· Systemverbindungen wie Computerbusse und Switches.

· Speicher-Controller und Hierarchien.

· CPU-Auslastungsmechanismen wie direkter Speicherzugriff.

· Themen wie Multi-Processing.

Sobald sowohl die ISA- als auch die Mikroarchitektur spezifiziert ist, muss das eigentliche Computersystem als Hardware entworfen werden. Dieser Entwurfsprozess wird Implementierung genannt. Die Implementierung ist in der Regel ein Entwurfsprozess der Hardwaretechnik.

Die Umsetzung kann weiter in drei, aber nicht völlig getrennte Teile zerlegt werden:

Implementierung der Logik: Entwurf von Blöcken, die in der Mikroarchitektur definiert sind, hauptsächlich auf der Register-Transfer- und Gatterebene.
Schaltkreis-Implementierung: Entwurf auf Transistorebene von Grundelementen (Gates, Multiplexer, Flip-Flops usw.) sowie einiger größerer Blöcke (ALUs, Caches usw.), die aus Leistungsgründen auf dieser Ebene oder sogar auf einer niedrigeren physikalischen Ebene implementiert werden können.
Physische Umsetzung: Physikalische Schaltungen werden gezeichnet, die verschiedenen Schaltungskomponenten werden in einem Chip-Grundriss oder auf einer Platine platziert und die sie verbindenden Drähte geführt.

Bei CPUs wird der gesamte Implementierungsprozess oft als CPU-Design bezeichnet; es kann sich auch um eine Familie verwandter CPU-Designs handeln, wie z.B. RISC und CISC.

Weitere Unter-Definitionen

Einige Praktiker der Computerarchitektur verwenden feinere Unterkategorien:

Makroarchitektur: Architektonische Schichten, die abstrakter sind als Mikroarchitektur, zum Beispiel ISA.
Befehlssatz-Architektur (ISA): Wie oben definiert.
UISA (Mikrocode-Instruktionssatz-Architektur): Eine Familie von Maschinen mit unterschiedlichen Mikroarchitekturen auf Hardware-Ebene kann eine gemeinsame Mikrocode-Architektur haben und wird daher UISA genannt.
Versammlung ISA: Ein intelligenter Assembler kann eine abstrakte Assemblersprache, die einer Gruppe von CPUs gemeinsam ist, in eine leicht unterschiedliche Maschinensprache für verschiedene CPU-Implementierungen konvertieren.
Programmierer Sichtbare Makroarchitektur: Werkzeuge in höheren Programmiersprachen, wie z.B. Compiler, können eine bestimmte Schnittstelle zu den sie verwendenden Programmierern definieren, indem sie die Unterschiede zwischen den zugrundeliegenden ISA-, UISA- und Mikroarchitekturen abstrahieren; zum Beispiel definieren die C-, C++- oder Java-Standards drei verschiedene bestimmte Programmierschnittstellen.
Pin-Architektur: Die Menge der Funktionen, die von einem Mikroprozessor aus der Sicht einer Hardware-Plattform erwartet wird. Zum Beispiel Signale, die der Prozessor während der Ausführung eines Befehls ausgeben soll.

Beispiele für Computerarchitekturen

Der x86er, hergestellt von Intel und AMD.
Die SPARC, hergestellt von Sun Microsystems und anderen.
Der PowerPC, hergestellt von Apple, IBM und Motorola.

Fragen und Antworten

F: Was ist Computerarchitektur?

A: Die Computerarchitektur ist der konzeptionelle Entwurf und die grundlegende Betriebsstruktur eines Computersystems. Sie umfasst die technischen Zeichnungen und die funktionale Beschreibung aller Designanforderungen, wie z.B. Geschwindigkeiten und Verbindungen, um Computer zu schaffen, die die Leistungs-, Kosten- und Funktionsziele erfüllen.

F: Was sind die drei wichtigsten Unterkategorien der Computerarchitektur?

A: Die drei wichtigsten Unterkategorien der Computerarchitektur sind Befehlssatzarchitektur (ISA), Mikroarchitektur (auch bekannt als Computerorganisation) und Systemdesign.

F: Was beinhaltet die ISA?

A: Bei der Befehlssatzarchitektur (ISA) handelt es sich um ein abstraktes Modell eines Computersystems, das von einem Maschinensprache- oder Assembler-Programmierer gesehen wird. Dazu gehören der Befehlssatz, Speicheradressmodi, Prozessorregister sowie Adress- und Datenformate.

F: Was beinhaltet die Mikroarchitektur?

A: Bei der Mikroarchitektur handelt es sich um eine detaillierte Beschreibung des Systems auf einer niedrigeren Ebene, die ausreicht, um die Funktionsweise aller Teile des Computersystems vollständig zu beschreiben, sowie die Art und Weise, wie sie miteinander verbunden sind und miteinander interagieren, um die ISA zu implementieren.

F: Was beinhaltet das Systemdesign?

A: Der Systementwurf umfasst alle anderen Hardwarekomponenten innerhalb eines Computersystems, z.B. Systemverbindungen wie Computerbusse und Switches, Speichercontroller, CPU-Entlastungsmechanismen wie direkter Speicherzugriff, Multiprozessorprobleme usw.

F: Wie wird die Implementierung in drei Teile aufgeteilt?

A: Die Implementierung kann unterteilt werden in Logik-Implementierung, die den Entwurf von Blöcken umfasst, die in der Mikroarchitektur auf Register-Transfer- oder Gatter-Ebene definiert sind; Schaltkreis-Implementierung, die den Entwurf von Basiselementen oder größeren Blöcken auf Transistor-Ebene umfasst; Physikalische Implementierung, die das Zeichnen von physischen Schaltkreisen, das Platzieren verschiedener Schaltkreiskomponenten auf einem Chip-Grundriss oder einer Platine und das Verlegen von Drähten, die sie miteinander verbinden, umfasst.