July 10, 2025

STP075: Prozessorarchitekturen im Vergleich

56 minutes

Nach einer sehr deutlichen Einordnung der Aufnahmezeit kommen wir im Wesentlichen zu den Unterschieden zwischen x86 und ARM. Natürlich wird auch geklärt, was das ist. Gegen Ende gibt es noch ein paar Meinungen und Weissagungen zum Thema KI.

Shownotes

Rückbezug STP011: grundsätzliche Beschreibung von Maschinensprache

siehe Beispiel unter dem obenstehenden Link

Maschinensprache ist spezifisch für die Prozessorarchitektur, genauer die Befehlssatzarchitektur (instruction set architecture, ISA)

heutzutage relevante ISA

x86: PCs, Notebooks, Server, Supercomputer, Apple Macs bis 2020

ARM: Smartphones, Tablets, Apple Macs seit 2020, Einplatinencomputer (SBC) wie Raspberry Pi

Embedded: AVR, MIPS, etc.

Hochleistungsrechnen: neben x86 noch Power und SPARC

Neuentwicklungen: RISC-V, LoongArch

Warum ist die Wahl der ISA wichtig?

ISA beschreibt nominal, wie ein CPU die Bits in einer ausführbaren Binärdatei (sprich: die kodierte Form der Maschinensprache) zu interpretieren hat

daraus als Konsequenz Festlegung von Hardware-Parametern wie der Adressbreite oder der Anzahl und Größe der verfügbaren Register

Designentscheidungen in der ISA wirken sich auf die maximal erreichbare Performance und auf die Energieeffizienz aus

klassischerweise Gegenüberstellung zweier verschiedener Design-Philosophien: Complex Instruction Set Computing (CISC) und Reduced Instruction Set Computing (RISC) (die Grenzen verschwimmen aber in der Praxis)

historischerweise war CISC die Domäne großer CPU-Hersteller, die sich ein kompliziertes Design leisten konnten, um dem Programmierer Arbeit abzunehmen (z.B. Intel); und RISC die Domäne kleiner CPU-Hersteller, die aus möglichst wenig Arbeitseinsatz möglichst viel erreichen wollten

Was steht in einem Maschinencode-Befehl drin?

grundsätzlich eine Operation, die ausgeführt wird (z.B. "Addition zweier 64-Bit-Zahlen")

als Quellen für Argumente und Ziel für das Ergebnis: entweder Register, Speicher oder Immediate-Argumente

Beispiel CISC: 20 verschiedene Ausführungen des ADD-Befehls in x86-64

Beispiel RISC: 2 verschiedene Ausführungen des ADD- bzw. ADDI-Befehls in RISC-V (RV32I)

wenn RISC wie bei RISC-V eine Load/Store-Architektur verwendet, muss man also im Zweifelsfall Argumente erst aus dem Speicher in Register laden

dadurch tendenziell mehr Maschinencode, aber weniger Komplexität in der CPU

Abwägungen zwischen Energieeffizienz (ARM) und Performance (x86)

aktueller ARM-Befehlssatz (A64) hat durchgängig 4 Byte große Befehle, was das Dekodieren vereinfacht; x86-Befehle haben eine variable Breite zwischen 1 und 15 Byte

x86 hat eine lange Pipeline, um u.a. die komplexen Befehle in kleinere Teilschritte (Micro-Operations) zu zerlegen oder bestimmte häufige Befehlssequenzen in effizientere Gruppen (Macro-Operations) zu fusionieren und damit die Performance zu steigern; ARM-Prozessoren machen das nicht und sparen dadurch Energieaufwand

x86 hat für bestimmte Rollen designierte Spezialregister, die je nach Befehl feste Bedeutungen haben; ARM (und RISC allgemein) verwendet für fast alles 31 General-Purpose-Register

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By Xyrillian Noises