Architektur moderner RISC-Mikroprozessoren

Abstract

Zusammenfassung: Seit der Entwicklung des ersten Mikroprozessors vor rund 25 Jahren konnte die Prozessorleistung kontinuierlich um jährlich 50 % verbessert werden. Diese Leistungsverbesserung ist im wesentlichen den Fortschritten der Halbleiterindustrie zu verdanken, welche den Entwicklern von integrierten Schaltungen einerseits immer schnellere Transistoren und andererseits eine immer grössere Anzahl Transistoren auf einem Chip zur Verfügung stellt. Damit kann die Prozessorleistung erhöht werden, ohne dass Änderungen an der Prozessororganisation nötig sind: die höhere Schaltgeschwindigkeit erlaubt es, Instruktionen schneller auszuführen, und die höhere Integrationsdichte kann dazu benutzt werden, breitere Datenpfade zu realisieren und damit breitere Operandenworte zu verarbeiten. Daneben sind aber auch architektonische Erweiterungen wesentlich mitverantwortlich an der Erhöhung der Rechenleistung. Die beiden wichtigsten Techniken, um die Arbeitsgeschwindigkeit von Mikroprozessoren weiter zu erhöhen, sind die Pipelineverarbeitung und die Verwendung von Cachespeichern. Die Pipelineverarbeitung erlaubt es, mehrere Operationen parallel auszuführen, während Cachespeicher einen schnelleren Zugriff auf Operationen und Operanden ermöglichen.In diesem Artikel werden die erwähnten Techniken besprochen und deren Anwendung in modernen RISC-Mikroprozessoren aufgezeigt.Schlüsselwörter: RISC, Mikroprozessoren, Pipelineverarbeitung, Cachespeicher. Abstract:Since the introduction of the first microprocessor some 25 years ago processor performance has been improved by 50 % per year. This improvement is mainly the result of advances made by the semiconductor industry, which is producing faster and faster transistors and integrating more and more transistors on a single chip. Thus, processor performance can be improved without changing the organization of the processor: higher switching speeds make it possible to execute instructions faster and higher integration density allows to build wider data paths and, with it, to process wider operand words. However, enhanced processor architectures have also contributed significantly to higher processor performance. The two most important techniques to further improve processor performance are pipelining and caching. Pipelining makes it possible to execute several instructions in parallel and caching allows for shorter access times to operations and operands. This paper discusses the mentioned techniques and their application in modern RISC microprocessors.