Intel-Rechnersysteme

Die x86-Architektur in der historischen Entwicklung

Im Juni 2003 feierte Intel den 25. Geburtstag der x86-Prozessorarchitektur. Der Prozessor des Typs 8086 war eine logische Weiterentwicklung der damaligen Prozessoren von Intel, 8080 und 8085. Während die CPUs 8080 und 8085 eine interne Wortbreite von 8 Bit besaßen, arbeitete der 8086 mit einer Wortbreite von 16 Bit. Das Ziel war, eine gewisse Rückwärtskompatibilität zumindest zu den Daten der damals schon beträchtlichen Basis der vorhandenen 8-Bit-Software zu gewährleisten. Außerdem gab es einen weit größeren Adressraum (1 Mbyte statt 64 Kbytes) sowie eine höhere Taktfrequenz (bis zu 5 MHz).

Eine interessante Innovation der 8086-Architektur war die Fähigkeit, Instruktionen vorab laden zu können (prefetch); sie wurden in einem kleinen Zwischenspeicher gehalten, sodass die Ausführungseinheit ohne Unterbrechung weiterarbeiten konnte.

Parallel zur 8086-Entwicklung wurde der 16 Bit breite externe Bus durch eine 8-Bit-Version (Typ 8088) ersetzt (intern hat auch der 8088 einen 16 Bit breiten Bus). Dieser neue Chip wurde später von IBM für den IBM PC ausgewählt, der 1981 mit 4,77 MHz auf den Markt kam.

Die beiden Prozessoren 8086 und 8088 haben ein neues Zeitalter der Datenverarbeitung begründet, obwohl sie eigentlich nur als Zwischenschritt bis zur Einführung einer völlig neuen Prozessorreihe (der 32-bittigen 432-Architektur) gedacht waren. Die 432-Architektur kam allerdings nie wirklich auf den Markt.

Der große Markterfolg der 8086- und 8088-Chips bewirkte, dass im Lauf der Jahre zahlreiche Eigenschaften hinzugefügt wurden und der Prozessortakt mit allen Mitteln erhöht wurde. Der 80286-Prozessor durchbrach die Grenze von 1 Mbyte Adressraum, indem er in einen neuen, geschützten Zustand ("Protected Mode") geschaltet werden konnte. Außerdem ermöglichte er einen Speicherschutz zwischen gleichzeitig laufenden Programmen. Damals war diese Eigenschaft eher nur im Großrechnerbereich üblich. Der Protected Mode ermöglichte jedenfalls die Entwicklung echter Multi-User-Betriebssysteme (wie z.B. Xenix). Vielfach wurden jedoch die Möglichkeiten des Protected Mode wegen seiner nicht gerade einfachen Handhabung nicht ausgenutzt.

Die Einführung des 80386 im Jahr 1985 beendete diese Schwierigkeiten mit einem Schlag durch eine deutlich bessere Speicherverwaltung mit variablen Segmentgrößen bis zu 4 Gbytes. Außerdem weist der 80386 eine interne Breite von 32 Bits, Memory Paging und virtuellen Speicher auf. Zwei Betriebsarten waren für die weitere Entwicklung des Marktes von entscheidender Bedeutung: Der Flat Mode umgeht die umständliche Segmentierung des Speichers (in diesem Mode steht ein "flacher" Adressraum von 4 GB zur Verfügung, der nicht durch Segmente unterteilt ist) und der Virtual 8086 Mode ermöglichte die Rückwärtskompatibilität für DOS-Programme. In dem damals verwendeten "Betriebssystem" Windows 3.0 konnte mit dem 80286 gerade ein DOS-Programm in einer "DOS-Box" ("Eingabeaufforderung") laufen; mit dem 80386 waren mehrere gleichzeitig laufende DOS-Programme möglich, die die daneben laufenden Windows-Programme (zumindest theoretisch) nicht störten.

Der i486-Prozessor, der dann folgte, erlaubte höhere Taktfrequenzen, führte eine fünfstufige Pipeline ein und hatte auch einen gemeinsamen Cache für Instruktionen und Daten. Außerdem befand sich eine Gleitkommaeinheit auf dem Chip (Cache und Gleitkommaeinheit waren früher in separaten Chips untergebracht). In dieser Phase begannen Diskussionen, ob die neue RISC (Reduced Instruction Set Computer)-Prozessorarchitektur (die von den meisten anderen Prozessorherstellern favorisiert wurde) nicht der herkömmlichen CISC (Complex Instruction Set Computer)-Architektur überlegen sei. Bis heute kann allerdings das x86-Design (das einer CISC-Architektur entspricht) mit den RISC-Rechnern mithalten.

1993 wurde der erste Pentium-Prozessor ausgeliefert. Der Pentium war Intels erster superskalarer Prozessor. Das bedeutet, dass er mehr als eine Anweisung auf einmal durchführen kann. Er tut dies, indem er zwei aufeinander folgende Anweisungen analysiert und - falls sie unabhängig voneinander sind - gleichzeitig ausführt. Spätere Entwicklungen (Pentium Pro) konnten auch die Reihenfolge der Instruktionen ändern, um die Zeit zur Ausführung der Instruktionen besser zu nutzen (Out-of-Order-Execution).

Kurze Zeit nach der Vorstellung des Pentium Pro gab es eine Version, die den so genannten MMX-Befehlssatz integrierte. MMX ist eine Fähigkeit, mit einer einzelnen Anweisung gleichzeitig mehrere Datenelemente zu bearbeiten. Das ist vor allem für Multimedia- und Bildverarbeitungsanwendungen von Vorteil.

1999 wurde der Pentium III vorgestellt, der bereits 10 Millionen Transistoren besitzt. (Zum Vergleich: Der 8088 enthält 29000 Transistoren.) Mittlerweile weisen Pentium-4-Prozessoren eine Pipeline mit 20 Stufen auf. Damit kann die Taktfrequenz beträchtlich erhöht werden. Darüber hinaus wurde Hyper-Threading hinzugefügt, eine Technik, die es erlaubt, zwei voneinander unabhängige Instruktionsströme simultan auf dem gleichen Prozessor auszuführen.

Die Effizienz der bisher üblichen Maßnahmen zur Steigerung der Rechenleistung nimmt immer mehr ab: Höhere interne Taktfrequenz, leistungsfähigere Speicheranbindung, größere und schnellere Caches zeigen umso weniger Wirkung, je ausgefeilter das damit verbesserte Produkt vorher schon war. Große Leistungssprünge gibt es beim praktischen Einsatz des PCs nur selten.

Die x86-Familie fächert sich immer weiter auf, ab 2003 auch mit speziell für Mobilrechner entwickelten Prozessoren (Pentium M). Der Pentium M erreicht nur etwas mehr als die halbe Taktfrequenz eines Pentium-4-Prozessors, ist aber optimal für geringen Stromverbrauch bei gleichzeitiger hoher Rechenleistung ausgelegt. Er kann nicht benötigte Einheiten getrennt abschalten und passt seine Taktfrequenz und die Betriebsspannung an den Rechenbedarf an. Das Betriebssystem muss freilich mit diesen adaptiven Fähigkeiten der CPU umgehen können, ansonsten bleibt der Stromspar-Effekt aus.

Die Entwicklung schneller x86-Prozessoren ist immer enger mit der ihres Umfelds verbunden. So erzwingt ein schnellerer Prozessorkern in immer kürzeren Abständen eine Beschleunigung der Speicheranbindung, um die Rechenwerke ausreichend schnell mit Daten versorgen zu können. Daher ändern sich auch die Spezifikationen für Frontsidebus, Chipsätze und Speichermodule in kürzeren Intervallen. Ein Auf- oder Umrüsten eines vorhandenen Rechners wird daher immer unattraktiver.

Die Pentium-Linie wurde von einer neuen Prozessorfamilie, die zumeist als Mehrkern-System ausgeliefert wird, abgelöst (Details s. weiter unten). Zunächst hießen die Intel-Prozessoren Core 2 Duo oder Quad, später Core i (mit verschiedenen Zahlenwerten, die die Leistungsfähigkeit angeben sollen). Auch AMD bietet Mehrkernprozessoren unterschiedlicher Leistungsstufen (z.B. Prozessoren mit 6 Kernen) an. Am unteren Ende der Leistungsskala findet man den so genannten Atom-Prozessor von Intel. Dabei handelt es sich um einen billigen, stromsparenden Prozessor (auch mit Mehrkerntechnik), der zumeist in kleinen Notebooks (sog. Netbooks) eingebaut wird.

Prozessoren

In PCs werden Prozessoren der Hersteller Intel und AMD eingesetzt. Während früher die Wahl des Mainboards (auch Motherboard oder Hauptplatine genannt) noch relativ einfach war, wird es durch die unterschiedlichen Bauformen der Prozessoren und durch die Vielzahl von Chipsets immer schwieriger, das richtige Board zu finden. Alleine bei den Steckplätzen für Prozessoren gibt es zahlreiche Möglichkeiten, außerdem hat sich die Lebenszeit der Technologien erheblich verkürzt. Aus diesem Grund ist es praktisch unmöglich, Systeme, die älter als ein Jahr sind, z.B. mit den neuesten Prozessoren auszurüsten. Deshalb sollte bei der Planung davon ausgegangen werden, dass nur Hauptspeicher und Festplatten zu einem späteren Zeitpunkt problemlos aufgerüstet werden können. Bei der Leistungsfähigkeit der heute aktuellen Prozessoren besteht allerdings in den meisten Fällen kein Bedarf zum Update der Prozessorleistung.

Eine neue Entwicklung wurde mit der Core-i-Architektur eingeleitet. Hier kann in den Prozessor auch ein Speicher-Controller und ein Grafikprozessor integriert werden. Grafikprozessoren übernehmen in Zukunft immer mehr allgemeine Rechenaufgaben.

Eine weitere Maßnahme zur Steigerung des Durchsatzes besteht darin, dass nicht alle Prozessorkerne mit der gleichen Taktrate angesteuert werden müssen. Wenn gerade nicht alle vorhandenen Prozessoren gebraucht werden (was sehr häufig passiert, weil die meisten Programme nicht mehr als eine CPU benötigen), kann der Takt für die benötigten Kerne kurzzeitig angehoben werden (Turbo Boost).

Prozessoren mit mehr als einem Kern

Im Laufe des Jahres 2005 zeigte sich, dass eine weitere signifikante Steigerung des Prozessortakts nicht mehr möglich sein wird. Die Abwärme, die bei Taktfrequenzen deutlich über 3 GHz (geplant waren bis zu 9 GHz) entsteht, ist nur mehr mit einem enormen Kühlaufwand zu beseitigen; die gigantische Leistungsaufnahme solcher Prozessoren wäre nämlich erforderlich gewesen, weil bei solchen Taktfrequenzen hohe Kernspannungen notwendig sind und die Leistungsaufnahme ungefähr mit dem Quadrat der Spannung steigt.

Also musste man andere Lösungswege suchen, um eine weitere Leistungssteigerung der Prozessoren zu ermöglichen. In Frage kommt eine Vervielfältigung der Prozessoren, so genannte Multi-Core-Systeme. Dabei muss man allerdings bedenken, dass die Geschwindigkeit, mit der ein einzelnes Programm abgearbeitet wird, in einem Multi-Core-System nicht notwendigerweise steigt. Ein Programm muss auch die vorhandenen Prozessoren gleichzeitig nützen können, was bei den meisten Programmen, die ja nicht für den Einsatz in Mehrprozessorsystemen entwickelt worden sind, nicht der Fall ist. Andererseits sind neue Rechner für sehr viele Anwendungen schnell genug, sodass die meisten Anwender auf noch mehr Rechenleistung verzichten können. Was allerdings dennoch in Mehrprozessorsystemen gesteigert werden kann, ist der Durchsatz aller Programme in ihrer Gesamtheit. Wenn zum Beispiel ein Prozessor durch ein rechenintensives Programm ausgelastet ist, steht den anderen Prozessen im System (und davon gibt es eine Menge) immer noch mindestens ein weiterer Prozessor zur Verfügung. Damit kann die Reaktionsschnelligkeit eines Rechners deutlich gesteigert werden.

Aus diesem Grund empfiehlt sich die Multi-Core-Architektur vor allem für Server. Im Desktop-PC-Bereich geht es oft um einzelne Programme, die nie genug Leistung bekommen können. Damit sie aber das Potenzial von Mehrkernprozessoren ausschöpfen, müssen sie ihre Arbeit auf mehrere Threads aufteilen können. Es ist also die Software gefragt, wenn die Fähigkeiten der modernen Architektur voll ausgenützt werden soll. Viele Programme müssen deswegen für die Multi-Core-Architektur umgeschrieben werden.

Derzeit sind bei Mehrkernprozessoren alle Prozessoren identisch. Das muss nicht so bleiben; für spezielle Funktionen (z.B. Bildverbesserungsalgorithmen oder Krypto-Koprozessoren) könnten auch spezielle CPUs für ganz bestimmte Aufgaben in einem System zum Einsatz kommen. Dann wird die Leistung eines Einzelkern nicht mehr von Bedeutung sein, vielmehr muss die Gesamtleistung und der Funktionsumfang beurteilt werden.

Virtualisierung

Virtuelle Maschinen lassen einen Computer mehrere Betriebssysteme oder Betriebssystem-Instanzen gleichzeitig ausführen. Virtuelle Maschinen gibt es schon seit langem; die leistungsfähigen Prozessoren in modernen PCs führen aber dazu, dass auch in Desktoprechnern Virtualisierung sinnvoll betrieben werden kann.

ARM

Die ARM-Architektur ist ein ursprünglich 1983 vom britischen Computerunternehmen Acorn entwickeltes Mikroprozessor-Design, das seit 1990 von der aus Acorn ausgelagerten Firma ARM Limited weiterentwickelt wird. ARM stand zunächst für Acorn RISC Machines, später dann für Advanced RISC Machines.

Von besonderem Interesse ist, dass das Unternehmen ARM Limited keine eigenen Elektronikchips herstellt. ARM vergibt vielmehr Lizenzen an Halbleiterhersteller. Die Vielzahl dieser Lizenznehmer und gewisse Vorteile der Architektur (z.B. ein im Vergleich zur Intel-Architektur geringer Energiebedarf) führten dazu, dass ARM-Chips im Embedded-Bereich mittlerweile die meistgenutzte Architektur sind. Fast alle derzeitigen Smartphones und Tabletcomputer haben lizenzierte ARM-Prozessoren. Aber auch in Routern finden ARM-Prozessoren Verwendung. Auch auf dem Raspberry PI ist ein Ein-Chip-System von Broadcom mit einem ARM-Mikroprozessor verbaut.

Die ersten ARM-Prozessoren hatten eine 32-Bit-Architektur, jetzt kommt wie bei Intel eine 64-Bit-Architektur zum Einsatz. Die ARM-CPU ist eine RISC-Architektur und kennt drei Kategorien von Befehlen:

• Befehle zum Zugriff auf den Speicher (Load/Store)
• arithmetische und logische Befehle für Werte in Registern (das sind Speicherplätze in der CPU)
• Befehle zum Ändern des Programmflusses (Sprünge, Aufrufe von Unterprogrammen).

Der geringe Energiebedarf der ARM-Architektur ist aber auch am anderen Ende des Leistungsspektrums, nämlich bei Supercomputern, interessant. Man darf nämlich nicht vergessen, dass die für den Betrieb eines Supercomputers benötigte elektrische Energie ungefähr noch einmal benötigt wird, um die Rechner zu kühlen. Wenn daher weniger elektrische Energie benötigt wird, hat das einen enormen Einfluss auf die gesamte Energiebilanz eines Supercomputers. Besonders hohe Rechenleistung ist allerdings von einer ARM-Architektur nicht zu erwarten.

Rechnerbusse (s. auch das Kapitel über Speicherbusse)

Die Verbindung zwischen CPU und Memory wird durch den so genannten Frontsidebus bewerkstelligt. Die ansonsten momentan für PC-Systeme maßgeblichen Bustypen sind der PCI-Bus, der PCI-Express-Bus und der AGP-Bus. Andere (ältere) Bussysteme, wie zum Beispiel ISA-, EISA- oder Microchannel-Bus, spielen keine Rolle mehr. Jedes aktuelle System enthält PCI-Steckplätze und einen AGP Steckplatz. Der AGP-Bus unterstützt jedoch nur Grafikkarten und fällt weg, wenn ein PCI-Express-Bus vorhanden ist.

Auch die Weiterentwicklung des PCI-Busses wird demnächst dazu führen, dass neuere Entwicklungen, wie PCI-X oder InfiniBand, vor allem aber PCI Express, vermehrt zum Einsatz kommen werden. Derzeit ist der PCI-Bus jedenfalls das in Rechnern der unteren Leistungsklasse (PCs) bei weitem am häufigsten eingesetzte Bussystem.

Frontsidebus

Die folgende Tabelle bringt einen Überblick über die je nach Typ des Frontsidebus erzielbaren Datentransferraten. Da der Frontsidebus eine Verbindung zum Hauptspeicher herstellt, ist die Wahl des richtigen Memory-Bausteins ebenfalls vom Frontsidebus abhängig.

PCI-Bus

Der PCI-Bus hat bereits in der ersten Version mit 32 Bit Datenbreite und 33-MHz-Bustakt gearbeitet. Mit dem PCI-Bus kann eine maximale Transferrate von bis zu 133 MB/s erreicht werden. In der 64-Bit-Version liegt die maximale Transferrate bei 267 MB/s.

Ein entscheidender Vorteil des PCI-Busses ist die Unabhängigkeit vom Prozessortyp. Damit ist der Einsatz des PCI-Busses auch mit Nicht-Intel-Prozessoren, wie z. B. in Rechnern mit SPARC-Architektur, möglich. Der PCI-Bus wird von der PCI Special Interest Group unterstützt. Dieser Vereinigung gehören alle bedeutenden Hersteller aus den Bereichen Prozessoren, Systemplatinen, Festplatten, Controller und Grafikkarten an.

In letzter Zeit hat der PCI-Bus wegen seiner zu geringen Bandbreite an Bedeutung verloren. Er wird (wie vorher der ISA-Bus des IBM PC AT) durch leistungsfähigere Bussysteme ersetzt werden.

AGP

Der Accelerated Graphics Port stellt einen von Intel entwickelten, einzelnen Steckplatz für eine Grafikkarte dar. Bei den herkömmlichen Grafikkarten wird ein Teil des Grafikspeichers für Texturen verwendet. Um immer höhere Auflösungen immer detailreicher darstellen zu können, wurde mehr und mehr Grafikspeicher auf den Karten integriert. Dieser Speicher liegt bei Standardapplikationen allerdings brach. Das Konzept von AGP beinhaltet, dass die Grafikkarte direkt auf im Hauptspeicher abgelegte Texturdaten zugreifen kann. Die Grafikanwendung kann die Texturdaten hinsichtlich Größe, Farbtiefe und Auflösung optimal auswählen und der AGP-Karte im Hauptspeicher bereitstellen. Der Chipsatz auf dem Motherboard und AGP tauschen die Daten mit 66 MHz und 32 Bit Datenbreite aus. Das entspricht einer Übertragungsrate von 266 MB/s.

Zusätzlich kann die AGP-Karte den so genannten X2-Modus bzw. X4-Modus verwenden. Im X2-Modus werden die Daten an beiden Flanken des Taktsignals übertragen, die Übertragungsrate erreicht dann mit 533 MB/s das Vierfache des PCI-Busses. Eine weitere Steigerung ist durch 4X möglich. Bei AGP 4X kommen noch die komplementären Strobe-Signale AD_STB0# und AD_STB1# dazu, die mit den Standard-Strobes differenzielle Leitungspaare bilden. Diese vier Strobes arbeiten dann tatsächlich mit 133,34 MHz. Auch bei AGP 4X erfolgt die Übertragung mit der fallenden und steigenden Flanke der AD-Strobes. Durch die 133,34 MHz der Strobe-Signale ergeben sich vier Zyklen pro AGP-Takt, was effektiv 266,67 MHz entspricht und somit eine theoretische Bandbreite von 1017 MB/s bedeutet.

AGP ist abwärtskompatibel zu PCI: PCI-Busmaster wie z.B. Framegrabber-Karten können Daten über den PCI-Bus in die AGP-Grafikkarte schreiben. Die hohe Bandbreite, mit der die AGP-Grafikkarte auf den Hauptspeicher zugreifen kann, bedingt den Wechsel zu SDRAM mit 133 MHz oder Rambus-Modulen als Hauptspeichertechnologie. Neue PCs enthalten allerdings keinen AGP-Steckplatz mehr; die Grafikhardware verwendet derzeit den PCI-Express-Standard.

PCI-Express (PCIe)

Die prinzipbedingten Vorteile von PCI-Express gegenüber PCI sind viel versprechend: Statt eines Bus (wie z.B. bei PCI oder der Variante PCI-X mit 64 Datenleitungen) werden durch einen speziellen Baustein Verbindungen zwischen den PCIe-Ports und dem Memory geschaltet. Den angeschlossenen Geräten steht jeweils die volle, ungeteilte Datentransferrate von 250 MByte/s (PCIe x1) bis 4 GByte/s (PCIe x16) pro Richtung(!) zur Verfügung. Es handelt sich also um eine Vollduplex-Verbindung.

Mit PCIe x1 kann also Gigabit-Ethernet oder RAID mit vier Festplatten (aktuelle Spitzen-Datentransferrate etwa 60 MByte/s pro Platte) problemlos realisiert werden. Intel benennt den PCIe x16-Port PCI Express for Graphics (PEG), der den AGP abgelöst hat. Die neuesten (Intel-)Mainboards verfügen neben PEG- und PCIe x1-Slots auch noch über einen PCI-Bus mit einigen Steckplätzen. Daran sind nach wie vor die Onboard-Chips für SATA (SATA-RAID), FireWire oder WLAN angebunden.

PC-Card-Schnittstelle

Die PC-Card-Schnittstelle ist ein Standard für scheckkartengroße Steckkarten, der von der Personal Computer Memory Card Interface Association (PCMCIA) im September 1990 definiert wurde. Erste Produkte nach diesem Standard waren reine Speicherkarten. Nach und nach wurde der Standard erweitert, so dass auch andere Hardware nach dem PC-Card-Standard entwickelt und eingesetzt werden konnte, zum Beispiel Schnittstellenkarten, Modems und LAN-Adapter.

Die PC-Cards haben eine einheitliche Fläche von 85,6 x 54 mm und besitzen eine zweireihige Buchsenleiste mit 68 Anschlüssen und je nach Typ unterschiedliche Kartendicken:

Eine Typ III-Karte passt meist in zwei übereinander liegende Typ II Slots. Die neueste Weiterentwicklung des PC-Card-Standards heißt CardBus und beinhaltet Erweiterungen hinsichtlich geringerem Stromverbrauch, verbesserter Kompatibilität und höherer Performance.

Die Spezifikation des CardBusses beschreibt einen PCI-ähnlichen, busmasterfähigen 32-Bit-Bus zum Rechner mit 33-MHz-Takt und einer maximalen Datentransferrate von 132 MB/s. Dadurch bringt der CardBus die Leistungseigenschaften des PCI-Busses auf scheckkartengroße Peripherie, und für Notebooks kann durch diesen modernen Bus anspruchsvolle Hardware mit hoher I/O-Leistung angeboten werden (z.B. Fast Ethernet).

Der PC-Card-Standard ist abwärtskompatibel zum PCMCIA-Standard, das heißt: alte PCMCIA-Karten funktionieren im neuen CardBus-Slot; neue PC-Card-Karten in alten PCMCIA-Slots werden jedoch nicht unterstützt.

Einsatzgebiete der PC-Cards sind vor allem bei Notebooks und Laptops zu finden. Da diese Rechnerarten in der Regel nur eine beschränkte Anzahl an externen Schnittstellen und gewöhnlich keine internen Steckplätze für Erweiterungskarten besitzen, bieten PC-Card-Steckplätze eine einfache und vielseitige Erweiterbarkeit.