Axel Bruns - Die Geschichte des Computers

Der Umfang des Befehlssatzes variiert je nach Prozessortyp beträchtlich. Ein großer Befehlssatz ist typisch für Prozessoren mit CISC-Architektur (englisch Complex Instruction Set Computing - Rechnen mit komplexem Befehlssatz), ein kleiner Befehlssatz ist typisch für Prozessoren mit RISC-Prozessorarchitektur (englisch Reduced Instruction Set Computing - Rechnen mit reduziertem Befehlssatz).Die traditionelle CISC-Architektur versucht, immer mehr und immer komplexere Funktionen direkt durch Maschinenbefehle auszudrücken. Sie zeichnet sich besonders durch die große Anzahl zur Verfügung stehender Maschinenbefehle aus, die meist 100 (weit) überschreitet. Diese sind außerdem in der Lage, komplexe Operationen direkt auszuführen (etwa Gleitkommazahl-Operationen). Dadurch können komplexe Vorgänge durch wenige, „mächtige“ Befehle implementiert werden. Das Nebeneinander von komplexen (langwierigen) und einfachen (schnell ausführbaren) Befehlen macht ein effizientes Prozessordesign schwierig, besonders das Pipelinedesign.In den 1980er Jahren entstand als Reaktion darauf das RISC-Konzept, mit dem bewussten Verzicht auf das Bereitstellen von komplexer Funktionalität in Instruktionsform. Es werden ausschließlich einfache, untereinander ähnlich komplexe Instruktionen bereitgestellt. Dabei wird versucht, sehr schnell abzuarbeitende Befehle zur Verfügung zu stellen, dafür jedoch nur wenige (weniger als 100), sehr einfache. Hierdurch vereinfachte sich das Prozessordesign deutlich und ermöglichte Optimierungen, die üblicherweise eine höhere Prozessortaktung und wiederum schnellere Ausführungsgeschwindigkeit erlaubten.

Dies geht unter anderem darauf zurück, dass weniger Taktzyklen benötigt werden und die Dekodierung aufgrund geringerer Komplexität schneller ist. Ein einfacheres Prozessordesign bedeutet jedoch eine Verschiebung des Entwicklungsaufwands hin zur Software als Bereitsteller komplexerer Funktionalität. Der Compiler hat nun die Aufgabe einer effizienten und korrekten Umsetzung mit dem vereinfachten Instruktionsatz.Heute ähnelt die weit verbreitete x86-Architektur – als (früher) typischer Vertreter der CISC-Klasse – intern einer RISC-Architektur: Einfache Befehle sind meist direkt µ-Operationen; komplexe Befehle werden in µ-Ops zerlegt. Diese µ-Ops ähneln den einfachen Maschinenbefehlen von RISC-Systemen, wie auch der interne Prozessoraufbau (z. B. gibt es keinen Microcode mehr für die µ-Operationen, sie werden „direkt verwendet“).Eine weitere Art eines Prozessordesigns ist die Verwendung von VLIW.

Dort werden mehrere Instruktionen in einem Wort zusammengefasst. Dadurch ist vom Anfang an definiert, auf welcher Einheit welche Instruktion läuft. Out-of-Order-Ausführung, wie sie in modernen Prozessoren zu finden ist, gibt es bei dieser Art von Befehlen nicht.Zusätzlich unterscheidet man auch noch zwischen der Adressanzahl im Maschinenbefehl: 0-Adressbefehle (Stackrechner) 1-Adressbefehle (Akkumulatorrechner) 2-Adressbefehle (typischerweise CISC-Rechner) 3-Adressbefehle (typischerweise RISC-Rechner)Die Befehlsbearbeitung eines Prozessorkerns folgt prinzipiell dem Von-Neumann-Zyklus. „FETCH“: Aus dem Befehlsadressregister wird die Adresse des nächsten Maschinenbefehls gelesen. Anschließend wird dieser aus dem Arbeitsspeicher (genauer: aus dem L1-Cache) in das Befehlsregister geladen. „DECODE“: Der Befehlsdecoder decodiert den Befehl und aktiviert entsprechende Schaltungen, die für die Ausführung des Befehls nötig sind. „FETCH OPERANDS“: Sofern zur Ausführung weitere Daten zu laden sind (benötigte Parameter), werden diese aus dem L1-Cache-Speicher in die Arbeitsregister geladen. „EXECUTE“: Der Befehl wird ausgeführt. Dies können zum Beispiel Operationen im Rechenwerk, ein Sprung im Programm (eine Veränderung des Befehlsadressregisters), das Zurückschreiben von Ergebnissen in den Arbeitsspeicher oder die Ansteuerung von Peripheriegeräten sein. Abhängig vom Ergebnis mancher Befehle wird das Statusregister gesetzt, das durch nachfolgende Befehle auswertbar ist. „UPDATE INSTRUCTION POINTER“: Sollte kein Sprungbefehl in der EXECUTE-Phase erfolgt sein, wird nun das Befehlsadressregister um die Länge des Befehls erhöht, so dass es auf den nächsten Maschinenbefehl zeigt.Gelegentlich unterscheidet man auch noch eine Rückschreibphase, in der eventuell anfallende Rechenergebnisse in bestimmte Register geschrieben werden (siehe Out-of-order execution, Schritt 6). Erwähnt werden sollten noch sogenannte Hardware-Interrupts.

Die Hardware eines Computers kann Anfragen an den Prozessor stellen. Da diese Anfragen asynchron auftreten, ist der Prozessor gezwungen, regelmäßig zu prüfen, ob solche vorliegen und diese eventuell vor der Fortsetzung des eigentlichen Programms zu bearbeiten.Alle Programme liegen als eine Folge von binären Maschinenbefehlen im Speicher. Nur diese Befehle können vom Prozessor verarbeitet werden. Dieser Code ist für einen Menschen jedoch beinahe unmöglich zu lesen. Aus diesem Grund werden Programme zunächst in Assemblersprache oder einer Hochsprache (etwa BASIC, C, C++, Java) geschrieben und dann von einem Compiler in eine ausführbare Datei, also in Maschinensprache übersetzt oder einem Interpreter zur Laufzeit ausgeführt.Um es zu ermöglichen, Programme in akzeptabler Zeit und verständlich zu schreiben, wurde eine symbolische Schreibweise für Maschinenbefehle eingeführt, die Assemblersprache. Einem Maschinenbefehl wird dabei genau ein Schlüsselwort in der Assemblersprache zugeordnet. Damit ist auch der Rückschluss von den Maschinenbefehlen auf das Assemblerprogramm möglich (Disassemblierung). Da jeder Prozessortyp eigene Maschinenbefehle besitzt, existiert für ihn auch eine eigene Assemblersprache. Prozessorunabhängige Programmierung ist erst mit der Benutzung einer Hochsprache möglich, der entsprechende Compiler ist jedoch wieder prozessorspezifisch. Befehle, die für jeden Prozessor gebraucht werden, sind normalerweise identisch. Die Reihenfolge der Ausführung der Assemblerbefehle ist vom Prozessortyp abhängig, in den nachfolgenden Beispielen erfolgt sie von rechts nach links: MOV BX, $85F3 Der Wert, der an der Adresse 85F3 (hexadezimale Schreibweise) im Arbeitsspeicher liegt, wird in das Arbeitsregister BX geladen. ADD BX, 15 Der Wert 15 wird zum Inhalt des Arbeitsregisters BX addiert.Maschinenbefehle sind sehr prozessorspezifisch und bestehen aus mehreren Teilen. Diese umfassen zumindest den eigentlichen Befehl, den Operationscode (OP-CODE), die Adressierungsart, und den Operandenwert oder eine Adresse. Sie können grob in folgende Kategorien eingeteilt werden:

Arithmetische Befehle Logische Befehle Sprungbefehle Transportbefehle ProzessorkontrollbefehleDie meisten Prozessoren (inkl. heutiger Mikroprozessoren) entsprechen im Wesentlichen der Von-Neumann-Architektur und die Befehlsbearbeitung folgt daher weitgehend nach dem Von-Neumann-Zyklus. Die wichtigsten Phasen sind dabei das Laden des Befehls (FETCH), seine Dekodierung (DECODE) und seine Ausführung (EXECUTE). Gelegentlich unterscheidet man auch noch das Laden der Operanden (FETCH OPERANDS) und eine Rückschreibphase (REGISTER RETIREMENT), in der die Rechenergebnisse in bestimmte Register geschrieben werden.Komplexere Mikroprozessoren sind interruptfähig, d. h., eine Unterbrechung des Programmablaufes kann durch ein externes Signal bewirkt werden. Da ein solcher hardwareseitiger Interrupt die Komplexität und somit den Entwicklungsaufwand erhöht, nutzen einige sehr einfach aufgebaute und somit sehr günstig herzustellende Prozessoren statt eines Hardwareinterrupts einen über die Software ausgelösten Interrupts.

Dabei prüft die Software, ob ein äußeres Ereignis vorliegt (Polling). Diese Mikroprozessoren kommen in extrem preissensitiven Bereichen wie Spielzeug und Ähnlichem zum Einsatz.Neben der geordneten Befehlsausführung nach dem Von-Neumann-Zyklus beherrschen vor allem moderne Hochleistungsprozessoren weitere Techniken, um die Programmabarbeitung zu beschleunigen. Vor allem moderne Hochleistungsmikroprozessoren setzen parallele Techniken wie etwa Pipelining und Superskalarität ein, um eine evtl. mögliche parallele Abarbeitung mehrerer Befehle zu ermöglichen, wobei die einzelnen Teilschritte der Befehlsausführung leicht versetzt zueinander sind. Eine weitere Möglichkeit, die Ausführung von Programmen zu beschleunigen, ist die ungeordnete Befehlsausführung (englisch Out-of-order execution), bei der die Befehle nicht strikt nach der durch das Programm vorgegebenen Reihenfolge ausgeführt werden, sondern der Prozessor die Reihenfolge der Befehle selbständig zu optimieren versucht. Die Motivation für eine Abweichung von der vorgegebenen Befehlsfolge besteht darin, dass aufgrund von Verzweigungsbefehlen der Programmlauf nicht immer sicher vorhergesehen werden kann. Möchte man Befehle bis zu einem gewissen Grad parallel ausführen, so ist es in diesen Fällen notwendig, sich für eine Verzweigung zu entscheiden und die jeweilige Befehlsfolge spekulativ auszuführen. Es ist dann möglich, dass der weitere Programmlauf dazu führt, dass eine andere Befehlsfolge ausgeführt werden muss, so dass die spekulativ ausgeführten Befehle wieder rückgängig gemacht werden müssen. In diesem Sinne spricht man von einer ungeordneten Befehlsausführung.Maschinenbefehle beziehen sich auf festgelegte Quell- oder Zielobjekte, die sie entweder verwenden und/oder auf diese wirken. Diese Objekte sind in codierter Form als Teil des Maschinenbefehls angegeben, weshalb ihre effektive (logische*) Speicheradresse bei bzw. vor der eigentlichen Ausführung des Befehls ermittelt werden muss. Das Ergebnis der Berechnung wird in speziellen Adressierungseinrichtungen der Hardware (Registern) bereitgestellt und bei der Befehlsausführung benutzt. Zur Berechnung werden verschiedene Adressierungsarten (-Varianten) verwendet, abhängig von der Struktur des Befehls, die je Befehlscode einheitlich festgelegt ist.(*)