Architektura komputera

Schemat blokowy prostego komputera. Czarne linie oznaczają przepływ danych, a czerwone linie przepływ sterowania.

Architektura komputera oznacza w informatyce technicznej zbiór zasad i metod opisujących funkcjonalność, organizację i implementację komputerów. Niektóre definicje architektury komputerów definiują ją jako opis możliwości i model programowy komputera, ale nie konkretną implementację^[1]. W innych definicjach architektura komputera obejmuje projekt architektury zestawu instrukcji, projekt mikroarchitektury, syntezę logiczną i implementację^[2].

Wprowadzenie

Komputer jest systemem złożonym o strukturze hierarchicznej - układem wzajemnie powiązanych podsystemów, z których każdy również ma strukturę hierarchiczną, aż do osiągnięcia najniższego poziomu - podsystemu elementarnego. Na każdym poziomie projektant zajmuje się strukturą (sposobem wzajemnego powiązania) i funkcjami (działaniem) poszczególnych składników.^[3]

Komputer składa się z jednostki centralnej (CPU), magistrali systemowej, pamięci oraz urządzeń wejścia-wyjścia. Jednostka centralna składa się z rejestrów, jednostki arytmetyczno-logicznej (ALU), jednostki sterującej i połączeń wewnętrznych. Jednostka sterująca składa się z układów logicznego szeregowania, rejestrów i dekoderów jednostki sterującej oraz jej pamięci^[3].

Podstawowe zagadnienia

• Struktura i działanie procesora
• Pamięć podręczna
• Pamięć wewnętrzna
• Pamięć zewnętrzna
• Wejście wyjście
• Wspieranie systemu operacyjnego
• Arytmetyka komputera
• Własności i funkcje listy rozkazów
• Tryby adresowania i formaty rozkazów
• Paralelizm na poziomie rozkazu i procesory superskalarne
• Działanie jednostki sterującej
• Sterowanie mikroprogramowe

Historia

Pierwszą udokumentowaną architekturę komputera można znaleźć w korespondencji pomiędzy Charlesem Babbage i Adą Lovelace, opisującą tzw. silnik analityczny. Podczas budowy komputera Z1 w 1936, Konrad Zuse opisał po raz pierwszy komputer którego instrukcje są przechowywane w pamięci, tzw. stored-program computer.^[4]

Klasyfikacje

Ze względu na rodzaj połączeń procesor-pamięć i sposób ich wykorzystania dzielimy architektury zgodnie z taksonomią Flynna:

• SISD (ang. Single Instruction Single Data) – skalarne,
• SIMD (ang. Single Instruction Multiple Data) – wektorowe (macierzowe),
• MISD (ang. Multiple Instruction Single Data) – strumieniowe,
• MIMD (ang. Multiple Instruction Multiple Data) – równoległe.

Ze względu na sposób podziału pracy i dostęp procesora do pamięci możemy podzielić architektury na:

• SMP (ang. Symmetric Multiprocessing) – symetryczne,
• ASMP (ang. Asymmetric Multiprocessing) – asymetryczne,
• NUMA (ang. Non-Uniform Memory Access) – asymetryczne (rozróżniające pamięć lokalną i zdalną),
• AMP (ang. Asynchronous Multiprocessing) – asynchroniczne,
• MPP (ang. Massively Parallel Processors) – równoległe.

Ze względu na sposób organizacji pamięci i wykonywania programu:

• architektura von Neumanna – zarówno dane, jak i kod programu przechowywany jest w tym samym obszarze pamięci;
• architektura harwardzka – rozkazy i dane przechowywane są w odseparowanych obszarach pamięci;
• architektura mieszana – połączenie dwóch powyższych typów: obszary pamięci dla rozkazów i danych są odseparowane, jednak wykorzystują wspólne magistrale.

Zobacz też

• architektura oprogramowania

Przypisy