Ratgeber

Architekturen und Befehlssätze

Und damit ist sie höchst erfolgreich, zur Zeit gibt es wohl kein Smartphone von A wie Apple iPhone 4 mit dem A4-Prozessor bis Z wie ZTE P729K mit dem Qualcomm-MSM7227-Chip, das nicht mit ARM-Rechenwerken ausgestattet ist. An diesen beiden Varianten kann auch etwas über den unterschiedlichen Umgang mit der ARM-Technik gelernt werden.

So beruht Apples A4 nach einhelliger Expertenmeinung auf einer ARM-Cortex-A8-CPU, hier wurde dementsprechend der komplette Prozessorkern, auch Core genannt, von ARM lizenziert und um andere Komponenten ergänzt. D

Der Qualcomm MSM7227 hingegen wird oft als ARM-v6-Prozessor bezeichnet, doch das stimmt nur bedingt. Denn ARM v6 oder auch ARM v7 bezeichen keine Prozessorkerne, sondern Prozessorarchitekturen und die mit ihnen verbundenen Befehlssätze.

Smartphone-Prozessoren

© Archiv

Die Cortex-R-Architektur ist für Mehrkernprozessoren vorbereitet und unterstützt den ARM-v7-Befehlssatz.

Qualcomm lizenziert  von ARM den Befehlssatz, um eine eigene CPU zu konstruieren, die die Befehle nach Vorgabe umsetzt. Das ist vergleichbar mit einer Mathematikaufgabe, bei der es auch mehrere Lösungswege gibt, doch dazu später mehr.

Dass das Modell mit ARM als Entwickler von Prozessoren und Firmen wie Apple, Freescale, Marvell, Nvidia, Qualcomm, Samsung und vielen anderen mehr als Lizenznehmer so erfolgreich ist, hat mehrere Gründe. Da wäre natürlich der geringe Stromverbrauch für die benötigte Rechenleistung zu nennen, den die mit ARM-Know-how gebauten RISC-Prozessoren ermöglichen.

Daneben verteilt sich durch viele Lizenznehmer die bei Prozessoren sehr teure Entwicklung auf viele Schultern. Dennoch können einzelne Hersteller individuelle Varianten anbieten, was begünstigt, dass ARM-Prozessoren nicht nur in Smartphones, sondern auch in einer Vielzahl anderer Produkte vom Router bis zur Set-Top-Box zu finden sind. Und der Quasi-Standard bei den Befehlssätzen erleichtert die Programmierung von Betriebssystemen und Apps.    

Multiprocessing und Verbrauch

Betriebssysteme spielen auch beim neuesten Trend zum Smartphone mit Dual-Core-Prozessor eine wichtige Rolle, schließlich wird die Verteilung der Rechenlast auf zwei Kerne von diesem vorgenommen. Von Symbian OS wird sogenanntes Multiprocessing schon eine Weile unterstützt.

Vom Prinzip her bringen auch auf Linux basierte Betriebssysteme die Anlagen zur Verteilung der Rechenlast mit, und  tatsächlich unterstützen Android und seit kurzem auch HPs Web OS neue Dual-Core-CPUs. Bei anderen Betriebssystemen bleibt das abzuwarten, bei dem auf demmultiprozessortauglichen OS X beruhenden iOS stehen die Chancen auf zukünftige Dual-Core-iPhones und -iPads auch nicht schlecht.

Doch Dual-Core ist noch kein Garant für doppelte Geschwindigkeit. Denn nicht jede Aufgabe lässt sich gut auf zwei Prozessoren verteilen, und oft liegt der Flaschenhals auch an anderer Stelle, etwa an der langsamen Verbindung über das Mobilfunknetzwerk.

Bei komplizierten Vorgängen wie der Dekodierung von hochauflösenden Videos haben Doppelkerne natürlich Vorteile. Hier achten auch die Programmierer auf möglichst gut parallel ausführbaren Code.

Interessanterweise bringen die Dual-Core-Lösungen auch beim Energieverbrauch Vorteile. Unter Volllast benötigen sie zwar deutlich mehr Strom, doch längere Volllast ist ein für Smartphone-Prozessoren völlig unrealistischer Betriebszustand.

Normalerweise sind die mit dem Smartphone ausgeführten Aufgaben fest umgrenzt, beispielsweise das Aufrufen einer Internetseite, das Abspielen eines Songs respektive Films oder das Versenden einer SMS.

Diese Aufgaben erfordern immer eine bestimmte Zahl von Programmschritten, und vom Prinzip bleiben Arbeit und dafür aufgewendete Energie gleich - egal ob ein Kern alle Schritte abarbeitet oder zwei Kerne je die Hälfte. In der Praxis sieht es für die Dual-Core-CPUs dennoch besser aus.

Beim Dekodieren eines MP3-Songs können zwei gemeinsam arbeitende Kerne halb so langsam werkeln wie einer. Das Lied muss schließlich nicht schneller entschlüsselt werden, als es gehört wird.

Die Dual-Core-CPU würde also viel langsamer getaktet als ihr Single-Kollege. Und bei langsamerem Takt können moderne Prozessoren auch die Betriebsspannung reduzieren, ohne dass es zu Rechenfehlern kommt. Da aber der Energieverbrauch mit dem Quadrat der Betriebsspannung sinkt und steigt, ist hier ein hohes Einsparpotenzial vorhanden. Dual-Core-Prozessoren machen das Smartphone also schneller und sparen dabei auch noch Strom.   

Teil 3: Noch mehr Processing Units

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