Компютърна архитектура
В компютърната техника компютърната архитектура е концептуалният дизайн и основната оперативна структура на компютърна система. Това са техническите чертежи и функционалното описание на всички изисквания за проектиране (особено за скорости и взаимовръзки), това е начинът на проектиране и изпълнение на различните части на компютъра - с акцент до голяма степен върху начина, по който централният процесор (CPU) работи вътрешно и как осъществява достъп до адресите в паметта.
Тя може да се определи като наука и изкуство за избор и свързване на хардуерни компоненти за създаване на компютри, които отговарят на функционални, производителни и ценови цели.
Компютърната архитектура включва поне три основни подкатегории:
- Архитектурата на набора от инструкции или ISA е абстрактният модел на компютърната система, който се вижда от програмиста на машинен език (или език на асемблер), включително набора от инструкции, режимите на адресиране на паметта, регистрите на процесора и форматите за адреси и данни.
- Микроархитектурата, известна още като компютърна организация, е по-ниско ниво, подробно описание на системата, което е достатъчно за пълното описание на работата на всички части на компютърната система и как те са свързани помежду си и си взаимодействат, за да се реализира ISA. Размерът на кеша на компютъра например е организационен въпрос, който обикновено няма нищо общо с ISA.
- Проектиране на системата, което включва всички други хардуерни компоненти на компютърната система, като например:
· Системни взаимовръзки, като компютърни шини и комутатори.
· Контролери на паметта и йерархии.
· механизми за разтоварване на процесора, като например директен достъп до паметта.
· Проблеми като многопроцесорност.
След като ISA и микроархитектурата са определени, действителната изчислителна система трябва да бъде проектирана в хардуер. Този процес на проектиране се нарича реализация. Внедряването обикновено е процес на проектиране на хардуерно инженерство.
Изпълнението може да бъде разделено на три, но не напълно отделни части:
- Логическо изпълнение: Проектиране на блоковете, определени в микроархитектурата, основно на ниво регистър-трансфер и гейт.
- Изпълнение на веригата: Проектиране на ниво транзистор на основните елементи (гейтове, мултиплексори, флип-флопове и др.), както и на някои по-големи блокове (ALU, кешове и др.), които могат да бъдат реализирани на това ниво или дори на по-ниско физическо ниво по причини, свързани с производителността.
- Физическо изпълнение: Физическите схеми се начертават, различните компоненти на веригата се поставят в план на чип или на платка и се прокарват свързващите ги проводници.
При процесорите целият процес на внедряване често се нарича дизайн на процесора; той може да бъде и семейство от свързани дизайни на процесори, като RISC и CISC.
Още поддефиниции
Някои специалисти в областта на компютърната архитектура използват по-фини подкатегории:
- Макроархитектура: Архитектурни слоеве, които са по-абстрактни от микроархитектурата, например ISA.
- Архитектура на набора от инструкции (ISA): Както е определено по-горе.
- UISA (Microcode Instruction Set Architecture): Семейство от машини с различни микроархитектури на хардуерно ниво може да има обща архитектура на микрокода и затова се нарича UISA.
- Сглобяване ISA: Интелигентен асемблер може да преобразува абстрактен език на асемблер, общ за група процесори, в малко по-различен машинен език за различните реализации на процесорите.
- Видима макроархитектура за програмиста: Например стандартите C, C++ или Java определят три различни интерфейса за програмиране.
- Архитектура на щифтовете: Наборът от функции, които се очаква да предоставя един микропроцесор, от гледна точка на хардуерната платформа. Например сигналите, които се очаква процесорът да излъчва по време на изпълнението на дадена инструкция.
Примери за компютърни архитектури
- x86, произвеждан от Intel и AMD.
- SPARC, произведен от Sun Microsystems и други.
- PowerPC, произведен от Apple, IBM и Motorola.
Свързани страници
- Компютърен хардуер
- Софтуерна архитектура
- Микроархитектура
Въпроси и отговори
В: Какво представлява компютърната архитектура?
О: Компютърната архитектура е концептуалният дизайн и основната оперативна структура на компютърната система. Тя включва техническите чертежи и функционалното описание на всички изисквания за проектиране, като скорости и взаимовръзки, за да се създадат компютри, които отговарят на целите за производителност, цена и функционалност.
Въпрос: Кои са трите основни подкатегории на компютърната архитектура?
О: Трите основни подкатегории на компютърната архитектура са: архитектура на набора от инструкции (ISA), микроархитектура (известна също като организация на компютъра) и системен дизайн.
В: Какво включва ISA?
О.: Архитектурата на набора от инструкции (ISA) включва абстрактен модел на компютърна система, който се вижда от програмиста на машинен език или език за асемблиране. Това включва набора от инструкции, режимите на адресиране на паметта, регистрите на процесора и форматите за адреси и данни.
В: Какво включва микроархитектурата?
О: Микроархитектурата включва подробно описание на системата на по-ниско ниво, което е достатъчно за пълното описание на работата на всички части на изчислителната система, както и на начина, по който те са свързани и взаимодействат помежду си, за да реализират ISA.
В: Какво включва проектирането на системата?
О: Системното проектиране включва всички други хардуерни компоненти в рамките на изчислителната система, като например системни връзки, като компютърни шини и комутатори; контролери на паметта; механизми за разтоварване на процесора, като директен достъп до паметта; въпроси, свързани с многопроцесорността и др.
В: Как се разделя изпълнението на три части?
О: Изпълнението може да бъде разделено на логическо изпълнение, което включва проектиране на блокове, определени в микроархитектурата на ниво регистър-трансфер или гейт; схемно изпълнение, което включва проектиране на ниво транзистор за основни елементи или по-големи блокове; физическо изпълнение, което включва изготвяне на физически схеми, поставяне на различни схемни компоненти върху плана на чипа или платката, прокарване на проводници, които ги свързват.
