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05.01.1984 - 

Von Fehlstartern und Marktmachern:

Mikroprozessoren mausern sich zum Transputer

Mikroprozessoren der gehobenen, der 10 Bit-Leistungsklasse, gibt es auf dem Markt nun schon seit mehreren Jahren; sie begannen aber erst mit der Einführung von Intels 8086 im Jahre 1978 auf breiter Front vorzudringen, obwohl es schon früher entsprechende Produkte gegeben hat: etwa den zwar bekannten, aber nie so richtig zum Hit gewordenen 9900 von Texas Instruments oder auch eine frühe Maschine von National Semiconductor.

Heute ist wohl der 8086 der weithin bekannteste Mikroprozessor, auch wenn in den letzten Jahren vor allem dem 68000 von Motorola so etwas wie eine flotte Aufholjagd gelungen zu sein scheint; diesen Prozessor samt seinen Derivaten findet man inzwischen in einer ganzen Reihe leistungsstarker Tischcompter modernster Konzeption.

Weitere prominente Namen sind zur Zeit die Reihe Z 8000 von Zilog und die Familie 16000 von National Semiconductor.

Jede der genannten vier Mikro-Reihen sticht von den übrigen durch bestimmte Merkmale ab, die ihr Anwendungs-Spektrum mit bestimmen. Betrachten wir im folgenden, was man, bei Vernachlässigung sekundärer Details wohl als "Charakteristika" der einzelnen Prozessoren ansprechen könnte.

Beginnen wir mit den auf dem Markt dominierenden Intel-Produkten, vor allem also mit dem 8086. Mit ihm hatte, so sagen Beobachter des Geschehens, Intel das große Glück, exakt in dem Moment einen 16-Bitler auf den Markt zu bringen, da die 8-Bit-Mikros so langsam an ihre Grenzen zu stoßen begannen und die Kunden Interesse an "aufgebohrten" Versionen kundtaten. Und außerdem habe dieses Unternehmen es verstanden, den Anwendern ihre alten 8-Bit-Produkte (8080 etc.) den Übergang auf die neue 16-Bit-Maschine relativ einfach zu machen: es gab Entwicklungssysteme, die für den Neuling weiter verwendet werden konnten, und das Unternehmen achtete darauf den Abstand zur alten 8080-Familie möglichst eng zu halten. Das erleichterte (und beschleunigte) die Migration.

Ein wichtiges Kennzeichen des 8086, zu dem übrigens auch die im IBM-PC verwendete Version 8088 mit acht Bit breiten externen Anschlüssen gezählt werden muß, ist die Segmentierung des Speichers in Blocke zu je 64 KByte.

Noch höhere Integrationsgrade

Diese Segmentierung erlaubt das relativ einfache Erarbeiten von im Speicher verschiebbaren Programmen, vereinfacht den Aufbau der Zentraleinheit und kommt der Arbeitsgeschwindigkeit der CPU zugute, doch wird die Bearbeitung größerer Datenvolumina (über 64 KByte) etwas komplizierter.

Auch muß der Programmierer sich sorgfältig um den immer richtigen Stand der bei diesem Konzept nötigen Segmentregister kümmern. Dafür ist ein besonderes Plus dieser CPU die Möglichkeit, mit String-Befehlen zu arbeiten.

Vom 8086 gibt es inzwischen eine stromsparende CMOS-Version, übrigens ein Produkt der Firma Harris.

Inzwischen ergänzen zwei neue Prozessoren, der 80186 und der 80286 den 8086. Der 80186 ist für eher einfache Systeme ausgelegt und deutlich höher integriert als der 8086; auf dem Chip finden jetzt zusätzliche Peripherieschaltkreise Platz und eine Reihe von Änderungen - Verlegen von Mikrocode-Instruktionen direkt in die Hardware - machen ihn auch schneller. Auch hier gibt es übrigens wieder eine 8-Bit-Version, den 80188.

Für anspruchsvollere Aufgaben ist der 80286 gedacht, denn dieser Prozessor kann einen virtuellen Adreßraum von 1 GByte ansprechen und bietet einen weitaus schnelleren Datendurchsatz als der gute alte 8086. Dieser Prozessor wird vor allem für Multiuseranwendungen empfohlen, denn er verfügt über Speicherverwaltungs- und -schutzmechanismen auf dem Chip.

Bemerkenswert ist allerdings auch, daß dieser Prozessor (laut Intel) "direkt" anstelle eines 8086 eingesetzt werden und allein schon so ein existierendes System schneller machen kann; aber seine volle Leistung bringt er natürlich erst im "echten" 286er-Betriebsmodus.

Bleiben wir kurz noch bei Intel. Schon seit geraumer Zeit bekannt ist das Konzept eines 32-Bit-Mikros namens 432, der einen virtuellen Speicher von 1 Billion (10 12) Zeichen adressieren kann, und der vor allem auf die Programmiersprache Ada hin ausgelegt wurde. Mit ihm kann man ein fehlertolerantes Computersystem aufbauen, das durch Hinzufügen zusätzlicher Prozessoren in seiner Leistung wachsen kann, ohne daß besondere Softwaremodifikationen erforderliche wären. An ersten 432-Systemen wird bereits konkret erarbeitet.

Es muß aber gar nicht der 432 sein, will ein Intel-Fan endlich mit einem 32-Bit-Mikro rechnen können. Denn sehr deutlich zeichnet sich am Horizont jetzt schon der Typ 80386 ab, ein Modell, für das übrigens inzwischen auch schon der "Multibus II" als fortschrittlicher 32-Bit-Computer-Systembus entwickelt worden ist (siehe KW Nr. 51/52 Seite 22)

Dieser 80386 ähnelt in vielen Dingen dem 80286, soll dann aber eben 32 Bit Wortbreite und entsprechende Datenpfade bieten: auf dem Chip, so raunen Kenner sich zu, soll auch ein Cache-Speicher Platz finden. Eine besondere Übertragungsart wird einen besonders schnellen Datentransfer erlauben ("Burst-Mode").

Übrigens: Intel bietet zu seinen hier kurz skizzierten Prozessoren noch Arithmetik-Coprozessoren an die für rechenintensive Anwendungen (Graphik etwa) gedacht sind und die das Gesamtsystem bedeutend schneller machen können. Sie unterstützen den neuen IEEE-Standard für Mikrocomputer-Arithmetik.

Übersichtlicher Befehlssatz

Wenn in den letzten Jahren eine ganze Reihe neuer Systeme auf der, Basis von Motorola-68000-Prozessoren vorgestellt wurden, so ist das trotz fest etablierter Intel-Konkurrenz kein Wunder, bietet jene CPU-Familie, die schon von Anfang an mit dem Blick auf 32-Bit-Verarbeitung entwickelt worden war, doch auch ihre ganz spezifischen Vorteile. Der wichtigste, und er scheint den Nachteil, daß hier Befehle für Stringoperationen fehlen, vielfach aufzuwiegen: die Prozessoren weisen einen nach Sachkenner-Meinung ausgesprochen übersichtlichen Befehlssatz auf, der zahlreiche Programmierer anzusprechen scheint.

Diese CPUs arbeiten mit einem nicht segmentierten, also einheitlichen Adreßraum von 16 MByte; es gibt Versionen mit bloß 8 Bit breiten externen Anschlüssen (68008) und mit virtuellem Speicher (68010). Bei letzterem Prozessor werden einige Befehle dank verbessertem Mikrocode schneller ausgeführt und außerdem sticht dieses Produkt durch die Fähigkeit hervor, auch als "virtuelle Maschine" betrieben werden zu können. Dabei wird das Betriebssystem eines in Wahrheit völlig anderen Prozessors von der gegebenen CPU emuliert.

In Richtung "echte 32-Bit-Maschine" weist schließlich Motorolas Neuentwicklung 68020 mit 32-Bit-Datenleitungen. Auch hier wird sich auf dem Chip ein Cache finden, und es soll die Möglichkeit geben, einen Coprozessor anzuschließen. Auch soll der Befehlssatz für diese CPU mit ihren mehr als 170 000 Transistoren auf dem Chip weiter ausgebaut werden.

Eine gewisse Ähnlichkeit

Zilog-Prozessoren weisen seit den Tagen des ehrwürdigen Z 80, der eine Art Weiterentwicklung von Intels 8080 darstellt, eine gewisse Änlichkeit mit Intel-Architekturen auf. Und das gilt auch für die 16-Bit-Z-800X-Linie mit ihrer Sprachsegmentierung; allerdings sind, bei näherem Hinsehen doch auch deutliche Abweichungen zu konstatieren.

Die 16Bitler von Zilog verfügen über String-Befehle, sind teilweise für die Kooperation mit virtuellen Speichern ausgelegt, konnen Koprozessoren mit Teilaufgaben beauftragen und bieten Befehle für besonders schnelle Code-Umsetzungen.

Auch Zilog hat inzwischen einen 32-Bit-Prozessor spezifiziert, der auf dem Chip eine Speicherverwaltungseinheit für das Arbeiten mit virtuellem Speicher enthält; auch ein Cache ist on-Chip vorgesehen. Der Z 80000 soll die Befehle des Z 8000 verarbeiten, die Bus-Strukturen ähneln sich, der Adreßraum kann wahlweise segmentiert oder als einheitliches Ganzes angesprochen werden. Auch hier ist wieder die Kooperation mit anderen Prozessoren vorgesehen und es können Daten im Burst-Modus besonders schnell übertragen werden. Ein weiterer 16-Bit-Mikro von Zilog ist der Z 800, den man wohl als logische Weiterentwicklung der kleinen Z 80-CPUs, deren Befehlssatz er verarbeitet, ansprechen kann.

Mikro soll 1 MIPS leisten

Als ersten Mikroprozessor, der die 1-MIPS-Barriere (1 Million Maschinen-Instruktionen pro Sekunde) brechen soll, stellte National Semiconductor zur Systems in München den 32032 vor, eine 32-Bit-Maschine aus einer Familie, zu der auch Prozessoren mit 16- und mit 8-Bit-Datenbussen gehören. Besonders bemerkenswert an dieser Familie sind ein paar Eigenheiten ihres internen Aufbaus; so sind die Prozessoren beispielsweise auf eine möglichst schnelle, effiziente Berechnung des - etwa in CAD-Anwendungen sehr häufigen - Polynom-Teilausdrucks "a = ax + ai" ausgelegt.

Innerhalb der Familie bestehe, auch das ein bemerkenswerter Punkt, volle Software-Kompatibilität, verspricht National Semiconductor - auch abwärts. Das heißt, der Entwickler eines Systems hat besonders viel Freiheit in der Wahl der für sein Produkt - auch unter Kostenaspekten - optimalen Hardware.

Von der neuen CPU 32032 gibt es zunächst eine Version mit 6 MHz Taktfrequenz, doch sollen leistungsfähigere folgen.

Um den Rahmen dieses Beitrags nicht zu überdehnen, seinen schließlich noch einige weitere 16-und 32-Bit-Produkte erwähnt, die aber alle bei weitem nicht die Übertragende Marktbedeutung etwa des Intel-Designs erzielen konnten. So etwa die schon genannte 9900- und die 99000-Familie von Texas Instruments. CPUs aus der letztgenannten Reihe sollen übrigens von IBM in Produkten für lokale Netze eingesetzt werden.

Digital Equipment offeriert die beiden Mikros T 11 und J 11, von denen der letztere eine Zwei-Chip-Einheit in einem einzigen kleinen Gehäuse darstellt. Er soll, so verspricht DEC, einem System etwa die Power verleihen, die heute ein PDP 11/70 aufweist.

Auch zwei schnelle bipolare Mikros seien hier noch erwähnt. Den einen bietet AMD an; er ist für die Steuerung sehr rasch schaltender Steuerungen ausgelegt. Und der andere ist ein Produkt der Firma Fairchild: ein schneller Steuermann auch dieser, geeignet vor allem für militärische Anwendungen, wie man den entsprechenden Informationsschriften entnehmen kann.

*Peter Lange ist freier Fachjournalist.

Völlig neues Konzept: der "Transputer"

Ganz anders als herkömmliche Mikroprozessoren ist ein neues Konzept des britischen Halbleiterproduzenten Inmos ausgelegt, der "Transputer". Im folgenden wird kurz dargestellt, was seine wesentlichen Eigenschaften sind.

Herkömmliche Mikroprozessoren können bekanntlich über gemeinsame Datenleitungen (Busse) zu Gruppen zusammengeschaltet werden, aber ab einem bestimmten Punkt ergibt das nicht mehr viel Sinn; infolge der immer stärkeren Belastung des Busses mit Prozessor-Prozessor-Kommunikationsaufgaben steigt ab einer Grenzzahl von Prozessoren die Leistung des Gesamtsystems nicht mehr weiter.

Der Transputer hingegen wird nicht an einen Bus gehängt, sondern kann mit anderen Transputern zu einem Netz verknüpft werden. Zu diesem Zweck besitzt jeder einzelne Transputer vier schnelle Kommunikationskanäle, über die er benachbarte Transputer ansprechen kann. Will also ein Prozeß mit einem anderen Prozeß. der in einem anderen Transputer läuft, kommunizieren, so wartet er, bis jener gleichfalls kommunikationsbereit ist.

Transputer-Netze können beliebig viele Transputer umfassen: ihre Leistung steigt mit der Zahl der CPUs. Für die Programmierung von Transputern ist die Sprache OCCAM vorgesehen, die eine Anwendung als Abfolge einzelner - auch gleichzeitiger - Prozesse beschreibt und die speziell für parallele Systeme geschaffen worden ist.