Architektúra počítača

Počítačová architektúra je v počítačovom inžinierstve koncepčný návrh a základná prevádzková štruktúra počítačového systému. Sú to technické výkresy a funkčný opis všetkých konštrukčných požiadaviek (najmä rýchlostí a prepojení), je to spôsob návrhu a realizácie rôznych častí počítača - zameriava sa najmä na spôsob, akým centrálna procesorová jednotka (CPU) pracuje vo vnútri a ako pristupuje k adresám v pamäti.

Možno ju definovať ako vedu a umenie výberu a prepojenia hardvérových komponentov s cieľom vytvoriť počítače, ktoré spĺňajú funkčné, výkonnostné a cenové ciele.

Počítačová architektúra zahŕňa najmenej tri hlavné podkategórie:

Architektúra inštrukčnej sady alebo ISA je abstraktný model počítačového systému, ktorý vidí programátor strojového jazyka (alebo jazyka assembleru), vrátane inštrukčnej sady, režimov adresovania pamäte, registrov procesora a formátov adries a údajov.
Mikroarchitektúra, známa aj ako organizácia počítača, je nižšia úroveň, podrobný opis systému, ktorý postačuje na úplný opis činnosti všetkých častí výpočtového systému a spôsobu ich vzájomného prepojenia a spolupráce s cieľom implementovať ISA. Napríklad veľkosť vyrovnávacej pamäte počítača je organizačná záležitosť, ktorá vo všeobecnosti nemá nič spoločné s ISA.
Návrh systému, ktorý zahŕňa všetky ostatné hardvérové komponenty počítačového systému, ako sú:

· Systémové prepojenia, ako sú počítačové zbernice a prepínače.

· Pamäťové radiče a hierarchie.

· mechanizmy odľahčovania procesora, ako je priamy prístup do pamäte.

· Problémy ako viacprocesorové spracovanie.

Po špecifikácii ISA aj mikroarchitektúry je potrebné navrhnúť skutočný výpočtový systém do hardvéru. Tento proces návrhu sa nazýva implementácia. Implementácia je zvyčajne proces návrhu hardvérového inžinierstva.

Implementáciu možno ďalej rozdeliť na tri, nie však úplne samostatné časti:

Implementácia logiky: Návrh blokov definovaných v mikroarchitektúre, najmä na úrovni registra a hradiel.
Implementácia obvodu: Návrh na úrovni tranzistorov základných prvkov (hradiel, multiplexorov, flip-flopov atď.), ako aj niektorých väčších blokov (ALU, cache atď.), ktoré môžu byť z výkonnostných dôvodov implementované na tejto úrovni alebo dokonca na nižšej fyzickej úrovni.
Fyzická implementácia: Fyzická realizácia: Fyzické obvody sa nakreslia, jednotlivé súčiastky obvodu sa umiestnia do pôdorysu čipu alebo na dosku a vedenia, ktoré ich spájajú, sú vedené.

V prípade CPU sa celý proces implementácie často nazýva návrh CPU; môže ísť aj o rodinu príbuzných návrhov CPU, napríklad RISC a CISC.

Ďalšie poddefinície

Niektorí odborníci na počítačovú architektúru používajú jemnejšie podkategórie:

Makroarchitektúra: Vrstvy architektúry, ktoré sú abstraktnejšie ako mikroarchitektúra, napríklad ISA.
Architektúra inštrukčnej sady (ISA): Ako je definované vyššie.
UISA (architektúra inštrukčnej sady mikrokódu): Rodina strojov s rôznymi mikroarchitektúrami na hardvérovej úrovni môže mať spoločnú architektúru mikrokódu, a preto sa nazýva UISA.
Montáž ISA: Inteligentný asembler môže konvertovať abstraktný jazyk asembleru spoločný pre skupinu procesorov na mierne odlišný strojový jazyk pre rôzne implementácie procesorov.
Viditeľná makroarchitektúra programátora: Nástroje vyššej úrovne jazyka, ako sú kompilátory, môžu definovať určité rozhranie pre programátorov, ktorí ich používajú, pričom abstrahujú od rozdielov medzi základnými ISA, UISA a mikroarchitektúrami; napríklad štandardy C, C++ alebo Java definujú tri rôzne definované programovacie rozhrania.
Architektúra kolíkov: Z hľadiska hardvérovej platformy je to súbor funkcií, ktoré má mikroprocesor poskytovať. Napríklad signály, ktoré má procesor vysielať počas vykonávania inštrukcie.

Príklady počítačových architektúr

x86, ktoré vyrábajú spoločnosti Intel a AMD.
SPARC, ktorý vyrobili spoločnosti Sun Microsystems a iné.
PowerPC, ktorý vyrobili spoločnosti Apple, IBM a Motorola.

Súvisiace stránky

Počítačový hardvér
Softvérová architektúra
Mikroarchitektúra

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to architektúra počítača?

Odpoveď: Architektúra počítača je koncepčný návrh a základná operačná štruktúra počítačového systému. Zahŕňa technické výkresy a funkčný opis všetkých konštrukčných požiadaviek, ako sú rýchlosti a prepojenia, s cieľom vytvoriť počítače, ktoré spĺňajú výkonnostné, nákladové a funkčné ciele.

Otázka: Aké sú tri hlavné podkategórie počítačovej architektúry?

Odpoveď: Tri hlavné podkategórie architektúry počítačov sú architektúra inštrukčnej sady (ISA), mikroarchitektúra (známa aj ako organizácia počítača) a návrh systému.

Otázka: Čo zahŕňa ISA?

Odpoveď: Architektúra inštrukčnej sady (ISA) zahŕňa abstraktný model počítačového systému, ktorý vidí programátor strojového jazyka alebo jazyka assembleru. Zahŕňa súbor inštrukcií, režimy adresovania pamäte, registre procesora a formáty adries a údajov.

Otázka: Čo zahŕňa mikroarchitektúra?

Odpoveď: Mikroarchitektúra zahŕňa podrobný opis systému na nižšej úrovni, ktorý postačuje na úplný opis činnosti všetkých častí výpočtového systému, ako aj spôsobu ich vzájomného prepojenia a interakcie s cieľom implementovať ISA.

Otázka: Čo zahŕňa návrh systému?

Odpoveď: Návrh systému zahŕňa všetky ostatné hardvérové komponenty v rámci výpočtového systému, ako sú systémové prepojenia, napríklad počítačové zbernice a prepínače; radiče pamäte; mechanizmy odľahčenia procesora, napríklad priamy prístup do pamäte; otázky viacprocesorového spracovania atď.

Otázka: Ako sa implementácia člení na tri časti?

Odpoveď: Implementáciu možno rozdeliť na logickú implementáciu, ktorá zahŕňa návrh blokov definovaných v mikroarchitektúre na úrovniach prenosu registrov alebo hradiel; obvodovú implementáciu, ktorá zahŕňa návrh základných prvkov alebo väčších blokov na úrovni tranzistorov; fyzickú implementáciu, ktorá zahŕňa kreslenie fyzických obvodov, umiestnenie rôznych obvodových komponentov na pôdoryse čipu alebo dosky, vedenie vodičov, ktoré ich spájajú.