8-Bit-Architektur

Grundidee und Einsatz

Eine 8-Bit-Architektur ist eine Prozessorarchitektur, bei der die wesentliche Verarbeitungsbreite 8 Bit beträgt. Die dazugehörigen Prozessoren heißen häufig 8-Bit-Prozessoren. Vereinfacht bedeutet dies: Der Prozessor ist so entworfen, dass er während eines Taktes 8 Bit, also 1 Byte, gleichzeitig verarbeiten kann. Diese Breite wird Wortbreite genannt.

Die Bezeichnung bezieht sich nicht darauf, dass alle Teile eines solchen Systems nur 8 Bit breit sein müssen. Register und Adressbus sind oft 16 Bit breit. Ein Adressbus überträgt Speicheradressen; seine Breite beeinflusst somit, wie viel Speicher angesprochen werden kann. Der Speicherbereich kann teilweise zusätzlich durch Memory-Mapping erweitert werden. Dabei werden Bereiche über Adressen eingebunden.

8-Bit-Prozessoren werden weiterhin sehr häufig eingesetzt, aber meist nicht als Hauptprozessor eines Computers. Sie arbeiten vor allem als Mikrocontroller in eingebetteten Systemen. Ein eingebettetes System ist ein Prozessor, der eine bestimmte Aufgabe innerhalb eines größeren Geräts erfüllt. Moderne Computersysteme enthalten daher mehrere 8-Bit-Prozessoren, etwa in Maus und Tastatur, auf dem Motherboard sowie in Monitoren. Auch der Großteil der USB-Geräte basiert auf 8-Bit-Prozessoren.

Typische technische Eigenschaften

Charakteristisch ist ein 8-Bit-Datenbus. Ein Datenbus überträgt Daten zwischen Komponenten. Ein 8-Bit-Datenbus kommt jedoch auch bei abgespeckten 16-Bit-Architekturen vor, beispielsweise beim 8088 und beim 68008. Meist besitzen 8-Bit-Prozessoren einen 16-Bit-Adressbus; der 8008 hatte dagegen nur 14 Bit. Umgekehrt gibt es auch 16-Bit-CPUs mit lediglich 16-Bit-Adressbus, etwa den Z8000.

Die Register, also besonders schnelle interne Speicherplätze des Prozessors, sind meist 8 Bit breit. Häufig lassen sie sich zu 16-Bit-Adressregistern verbinden. Dabei kann es aber Einschränkungen beim Wechsel zwischen Speicherseiten geben. Die ALU, die Rechen- und Logikeinheit des Prozessors, ist intern 4 oder 8 Bit breit; der Z80 besaß beispielsweise eine feste 4-Bit-ALU.

Oft stehen einzelne 16-Bit-Operationen zur Verfügung, jedoch keine durchgängige Verarbeitung mit 16 Bit. Beim Z80 gehören dazu einige Operationen wie ADD, ADC, SBC sowie INC und DEC. Hardware-Unterstützung für Ganzzahl-Multiplikation und -Division fehlt meist; spätere Mikrocontroller wurden hier häufig erweitert. Ebenso fehlt Gleitkomma-Unterstützung. Schnittstellen für Gleitkomma-Coprozessoren kamen meist erst mit dem Übergang zu 16-Bit-Architekturen.

Weitere typische Grenzen sind das Fehlen einer Trennung zwischen User- und Betriebssystem-Modus sowie eine vergleichsweise schlechte Unterstützung von Compilern für Hochsprachen. Teilweise ist außerdem die Größe des Stacks begrenzt. Der Stack ist ein Speicherbereich, der unter anderem für Zwischenergebnisse und Rücksprungadressen genutzt wird.

Bei 16-Bit-Architekturen sind dagegen typischerweise – aber nicht zwingend alle – weitergehende Merkmale vorhanden: 16-Bit-Datenbusse, 16- bis 24-Bit-Adressbusse, 16- oder teilweise 32-Bit-Register und eine interne 16-Bit-ALU. Sie bieten durchgängige 16-Bit-Operationen, Hardware-Multiplikation und -Division, Gleitkomma-Unterstützung oder ein Coprozessor-Interface. Häufig unterstützen sie auch User- und Betriebssystem-Modus, teils erst mit MMU-Bausteinen, sowie Hochsprachen-Compiler und flexible Stackgrößen.

Bekannte Architekturen und Markt

Zu bekannten 8-Bit-Architekturen zählen Intels Modelle 8008 und 8080, die 6502-Serie von MOS, Motorolas 6800er-Serie, die Z80-Serie von Zilog und die U880-Modelle von MME. Ebenfalls verbreitet sind die MCS-51- und MCS-48-Serien von Intel und anderen Herstellern, insbesondere für eingebettete Anwendungen.

Weitere genannte Mikrocontroller-Architekturen sind die PIC10- bis PIC18-Serien von Microchip, die PSoC-Serie von Cypress, die 78K0-Serie von NEC sowie die AVR-Familie von Atmel. AVR wird als komplettes Neudesign einer 8-Bit-RISC-Architektur bezeichnet. Daneben existieren diverse weitere Designs.

Prozessoren der MCS-51-Serie werden von vielen Herstellern in sehr vielen Varianten produziert. Mengenmäßig liegen sie im Markt jedoch deutlich hinter den PIC-Prozessoren von Microchip und den Motorola-6800-Derivaten 68HC05 und 68HC08 von Freescale. PIC-Prozessoren und diese Freescale-Derivate machen jeweils mehr als ein Viertel des Marktes aus.