Die ReAl-Computerarchitektur

 Vom Universalrechner zur ReAl-Maschine

Ganz einfache Prozessoren

Beginnen wir mit einer der einfachsten praxisbrauchbaren Architekturen –  der Akkumulatormaschine mit Indexregister (vgl. beispielsweise Motorola MC6800).

Die Universalregistermaschine

Wäre es nicht besser, mehrere Register zu haben, die wir freizügig als Akkuumulatoren oder als Adreß- bzw. Indexregister nutzen können? Beispiele gibt es genügend, vom S/360 über die PDP10 bis zu Atmel AVR usw.

Die erste ReAl-Maschine

So weit ist der Schritt  eigentlich gar nicht... Wir haben schließlich genügend Transistoren. Geben wir also jedem Registerpaar eine eigene ALU. Eines der Register ist jeweils der Akkumulator. Die Registerauswahl wird eingespart. Das vermindert die Durchlaufverzögerung. Alle ALUs können gleichzeitig arbeiten. Somit kann der innewohnende (inhärente) Parallelismus tatsächlich ausgenutzt werden.

Beim Akkumulatorprinzip wird einer der Registerinhalte (= eine Variable) immer überschrieben. Was aber, wenn der bisherige Wert dieser Variable woanders noch gebraucht wird?

Also machen wir besser alle Verknüpfungen zu funktionellen Zuordnungen und halten Operanden und Ergebnisse voneinander getrennt. Es sind mehr Register, aber die können wir uns leisten. Wir müssen sie ja nicht adressieren (im Operationsbefehl) und auswählen (in der Schaltung).

Um n ALUs parallel zu nutzen, müssen n Operationscodes gleichzeitig anliegen. Solche Befehle würden sehr lang werden  (VLIW-Prinzip). In Programmschleifen sind sie immer wieder neu zu holen. Die weitaus meisten Programmabläufe sind Schleifen. Also sagen wir besser jedem Rechenwerk von vornherein, was es zu tun hat. Jedes dieser Werke ist eine Ressource.

Wenn wir genau wissen, was im Programmablauf zu tun ist, können wir auch für jeden Verarbeitungsvorgang eine spezielles Werk bereitstellen. Die Frage, ob spezielle Werke ohne oder universelle Werke (ALUs) mit Funktionsauswahl ist eine Frage der Optimierung. Ebenso, ob die Funktion während des Verarbeitungsabaufs umgeschaltet werden soll oder nicht. Die Maschinenprogrammfertigung beginnt jedenfalls damit, für jeden Programmvorgang eine eigene Ressource vorzusehen, ganz so, als ob wir genug von allem hätten. Optimieren können wir später...