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Wenn du ein Programm öffnest, muss der Prozessor viele kleine Aufgaben erledigen. Manche Prozessoren arbeiten dafür mit wenigen, klar aufgebauten Arbeitsaufträgen. Diese Idee heißt RISC.
- Du erklärst, was RISC bedeutet.
- Du beschreibst typische Merkmale von RISC-Prozessoren.
- Du vergleichst RISC grob mit CISC.
- Du erkennst RISC-V als offene Befehlssatzarchitektur.
Der Prozessor braucht klare Arbeitsaufträge
Ein Prozessor ist der Teil des Computers, der Anweisungen ausführt. Er rechnet, vergleicht Werte und steuert andere Teile des Computers.
Ein Befehlssatz ist die gesamte Sammlung von Anweisungen, die ein Prozessor versteht. Ein Befehl kann zum Beispiel Zahlen addieren, Daten holen oder zu einer anderen Stelle im Programm springen.
Ein Programm soll \(7 + 5\) berechnen. Der Prozessor braucht passende Befehle:
- Die Zahl 7 bereitstellen.
- Die Zahl 5 bereitstellen.
- Beide Zahlen addieren.
- Das Ergebnis speichern.
Wie diese Schritte genau aussehen, legt der Befehlssatz fest.
Ein Prozessor versteht nur die Befehle seines eigenen Befehlssatzes.
Was bedeutet RISC?
RISC ist die Abkürzung für Reduced Instruction Set Computer. Gemeint ist eine Prozessorarchitektur mit einem eher kleinen Satz einfacher und regelmäßig aufgebauter Befehle.
Eine Prozessorarchitektur beschreibt die grundlegenden Regeln eines Prozessors. Dazu gehört, welche Befehle er versteht und wie Programme mit ihm arbeiten.
Bei RISC erledigt ein einzelner Befehl meist eine überschaubare Aufgabe. Dadurch kann der Prozessor seinen Aufbau leichter erkennen und ihn zügig verarbeiten. Für eine größere Aufgabe nutzt ein Programm manchmal mehrere einfache Befehle statt eines besonders komplizierten Befehls.
Statt eines Befehls wie „Hole zwei Werte aus dem Speicher, addiere sie und speichere das Ergebnis“ arbeitet ein RISC-Prozessor oft in Schritten:
- Wert A laden.
- Wert B laden.
- A und B addieren.
- Ergebnis speichern.
„Reduziert“ heißt nicht, dass ein RISC-Prozessor wenig kann. Die Befehle sind bewusst einfacher. Zusammen können sie auch anspruchsvolle Aufgaben lösen.
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Register und Speicher
Der Hauptspeicher bewahrt Programme und Daten auf. Er ist viel größer als die Arbeitsplätze direkt im Prozessor, aber ein Zugriff darauf braucht mehr Zeit.
Ein Register ist ein besonders kleiner und schneller Speicherplatz im Prozessor. Dort liegen Werte, mit denen der Prozessor gerade arbeitet.
Viele RISC-Architekturen folgen dem Load-Store-Prinzip. Load bedeutet laden: Ein Wert wird aus dem Hauptspeicher in ein Register geholt. Store bedeutet speichern: Ein Wert wird aus einem Register zurück in den Hauptspeicher geschrieben. Rechenbefehle arbeiten dann meist nur mit Registern.
Du möchtest zwei Zahlen aus dem Hauptspeicher addieren:
- Ein Ladebefehl holt 12 in ein Register.
- Ein Ladebefehl holt 8 in ein zweites Register.
- Ein Additionsbefehl berechnet \(12 + 8\).
- Ein Speicherbefehl legt das Ergebnis 20 im Hauptspeicher ab.
Die Addition greift dabei nicht direkt auf den Hauptspeicher zu.
Beim Load-Store-Prinzip trennt man das Holen und Speichern von Daten vom Rechnen mit Daten.
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Regelmäßige Befehle helfen beim Arbeiten
Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit im Computer. Es kann nur den Wert 0 oder 1 haben. Ein Maschinenbefehl ist eine Folge solcher Bits, die der Prozessor direkt ausführen kann.
Bei vielen klassischen RISC-Architekturen haben Befehle eine feste Länge oder nur wenige feste Formen. Ein Befehlsformat legt fest, an welcher Stelle im Maschinenbefehl zum Beispiel die Rechenart und die verwendeten Register stehen.
Das hilft auch bei einer Pipeline. Eine Pipeline ist eine Arbeitsweise, bei der mehrere Befehle gleichzeitig verschiedene Bearbeitungsstufen durchlaufen. Während ein Befehl ausgeführt wird, kann der nächste schon vorbereitet werden.
Stell dir ein Fließband vor:
- Befehl A wird gerade gelesen.
- Befehl B wird vorbereitet.
- Befehl C wird ausgeführt.
Mehrere Befehle sind also gleichzeitig unterwegs, aber an verschiedenen Stationen.
Eine Pipeline macht nicht jeden einzelnen Befehl magisch schneller. Sie kann aber dafür sorgen, dass regelmäßig neue Ergebnisse entstehen.
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RISC und CISC vergleichen
CISC ist die Abkürzung für Complex Instruction Set Computer. Diese Architektur hat traditionell mehr und teilweise komplexere Befehle.
Der Unterschied ist kein Wettbewerb mit einem eindeutigen Sieger. Moderne Prozessoren verbinden oft Ideen aus beiden Richtungen. Deshalb ist die Einteilung heute weniger scharf als früher.
Ein vereinfachter Vergleich:
| RISC | CISC |
|---|---|
| eher einfache und regelmäßige Befehle | teils umfangreichere und unterschiedlichere Befehle |
| Speicherzugriff und Rechnen sind oft getrennt | ein Befehl kann mehrere Aufgaben verbinden |
| größere Aufgaben entstehen aus mehreren Schritten | manche Aufgaben lassen sich mit weniger Befehlen ausdrücken |
RISC und CISC beschreiben vor allem den Aufbau eines Befehlssatzes. Sie sagen nicht allein, ob ein Computer schnell oder langsam ist.
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RISC-V: eine offene Architektur
RISC-V ist eine konkrete Befehlssatzarchitektur, die sich an RISC-Ideen orientiert. Das V wird als römische Zahl fünf gelesen.
RISC-V ist offen. Das bedeutet: Die Regeln des Befehlssatzes sind öffentlich verfügbar. Verschiedene Gruppen können deshalb passende Prozessoren entwickeln, ohne die Grundregeln selbst neu erfinden zu müssen.
Wichtig ist die Trennung: RISC-V ist nicht ein einzelner Prozessor. Es ist eine gemeinsame Beschreibung, nach der unterschiedliche Prozessoren gebaut werden können. RISC-V ist außerdem modular: Zusätzliche Erweiterungen können bestimmte Fähigkeiten ergänzen.
Zwei Firmen können unterschiedliche RISC-V-Prozessoren herstellen:
- Ein kleiner Prozessor spart Strom in einem Sensor.
- Ein leistungsstärkerer Prozessor arbeitet in einem Computer.
Software kann auf beiden grundsätzlich laufen, wenn beide die benötigten RISC-V-Befehle und Erweiterungen unterstützen und die passende Systemumgebung vorhanden ist.
RISC-V legt gemeinsame Regeln für Befehle und Register fest. Unterschiedliche Prozessoren können diese Regeln auf eigene Weise umsetzen.
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Zusammenfassung
RISC steht für eine Prozessorarchitektur mit einfachen und regelmäßig aufgebauten Befehlen. Typisch sind viele Register, die Trennung von Laden, Speichern und Rechnen sowie gut planbare Befehlsformate.
CISC steht traditionell für umfangreichere und teils komplexere Befehle. Moderne Prozessoren können Ideen aus beiden Richtungen verbinden.
RISC-V ist ein wichtiges Beispiel für eine offene und modulare Befehlssatzarchitektur. Sie ermöglicht unterschiedliche Prozessoren, die nach gemeinsamen Regeln arbeiten.