Architektura počítače
V počítačovém inženýrství je architektura počítače koncepční návrh a základní provozní struktura počítačového systému. Jsou to technické výkresy a funkční popis všech požadavků na konstrukci (zejména rychlosti a propojení), je to způsob návrhu a realizace různých částí počítače - zaměřuje se převážně na způsob, jakým centrální procesorová jednotka (CPU) pracuje uvnitř a jak přistupuje k adresám v paměti.
Lze ji definovat jako vědu a umění výběru a propojení hardwarových komponent za účelem vytvoření počítačů, které splňují funkční, výkonnostní a cenové cíle.
Architektura počítačů zahrnuje nejméně tři hlavní podkategorie:
- Architektura instrukční sady neboli ISA je abstraktní model výpočetního systému, který vidí programátor strojového jazyka (nebo jazyka assembleru), včetně instrukční sady, adresních režimů paměti, registrů procesoru a adresních a datových formátů.
- Mikroarchitektura, známá také jako organizace počítače, je nižší úroveň, podrobný popis systému, který postačuje k úplnému popisu fungování všech částí výpočetního systému a způsobu jejich vzájemného propojení a spolupráce za účelem realizace ISA. Například velikost vyrovnávací paměti počítače je organizační záležitost, která obecně nemá nic společného s ISA.
- Návrh systému, který zahrnuje všechny ostatní hardwarové komponenty počítačového systému, jako jsou:
· Propojení systémů, jako jsou počítačové sběrnice a přepínače.
· Paměťové řadiče a hierarchie.
· mechanismy pro odlehčení procesoru, jako je přímý přístup do paměti.
· Problémy jako víceprocesorové zpracování.
Po specifikaci ISA i mikroarchitektury je třeba navrhnout vlastní výpočetní systém do hardwaru. Tento proces návrhu se nazývá implementace. Implementace je obvykle procesem návrhu hardwarového inženýrství.
Implementaci lze dále rozdělit na tři, ale ne zcela samostatné části:
- Implementace logiky: Návrh bloků definovaných v mikroarchitektuře, především na úrovni registrů a hradel.
- Implementace obvodu: (hradla, multiplexory, flip-flopy atd.), jakož i některých větších bloků (ALU, cache atd.), které mohou být z výkonnostních důvodů implementovány na této úrovni, nebo dokonce na nižší fyzické úrovni.
- Fyzické provedení: Fyzická realizace: Fyzické obvody jsou nakresleny, jednotlivé součástky obvodu jsou umístěny na půdorysu čipu nebo na desce a jsou vedeny vodiče, které je spojují.
V případě procesorů se celý proces implementace často nazývá návrh procesoru; může se také jednat o rodinu příbuzných návrhů procesorů, například RISC a CISC.
Další dílčí definice
Někteří odborníci na počítačovou architekturu používají jemnější podkategorie:
- Makroarchitektura: Vrstvy architektury, které jsou abstraktnější než mikroarchitektura, například ISA.
- Architektura instrukční sady (ISA): V souladu s výše uvedenou definicí.
- UISA (Microcode Instruction Set Architecture): Rodina strojů s různými mikroarchitekturami na hardwarové úrovni může mít společnou architekturu mikrokódu, a proto se nazývá UISA.
- Montáž ISA: Inteligentní assembler může převést abstraktní jazyk assembleru společný pro skupinu procesorů na mírně odlišný strojový jazyk pro různé implementace procesorů.
- Programátorská viditelná makroarchitektura: Například standardy C, C++ nebo Java definují tři různá definitivní programovací rozhraní.
- Architektura kolíků: Z hlediska hardwarové platformy je to soubor funkcí, které má mikroprocesor poskytovat. Například signály, které má procesor vysílat během provádění instrukce.
Příklady počítačových architektur
- x86, vyráběný společnostmi Intel a AMD.
- SPARC, vyrobený společností Sun Microsystems a dalšími.
- PowerPC, který vyrobily společnosti Apple, IBM a Motorola.
Související stránky
- Počítačový hardware
- Architektura softwaru
- Mikroarchitektura
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to počítačová architektura?
Odpověď: Architektura počítače je koncepční návrh a základní provozní struktura počítačového systému. Zahrnuje technické výkresy a funkční popis všech požadavků na konstrukci, jako jsou rychlosti a propojení, s cílem vytvořit počítače, které splňují výkonnostní, nákladové a funkční cíle.
Otázka: Jaké jsou tři hlavní podkategorie počítačové architektury?
Odpověď: Tři hlavní podkategorie architektury počítačů jsou architektura instrukční sady (ISA), mikroarchitektura (známá také jako organizace počítače) a návrh systému.
Otázka: Co zahrnuje ISA?
Odpověď: Architektura instrukční sady (ISA) zahrnuje abstraktní model počítačového systému, který vidí programátor strojového jazyka nebo jazyka assembleru. Zahrnuje sadu instrukcí, adresní režimy paměti, registry procesoru a adresní a datové formáty.
Otázka: Co zahrnuje mikroarchitektura?
Odpověď: Mikroarchitektura zahrnuje podrobný popis systému na nižší úrovni, který postačuje k úplnému popisu činnosti všech částí výpočetního systému a také toho, jak jsou vzájemně propojeny a jak na sebe vzájemně působí, aby se realizoval ISA.
Otázka: Co zahrnuje návrh systému?
Odpověď: Návrh systému zahrnuje všechny ostatní hardwarové součásti výpočetního systému, jako jsou systémová propojení, např. počítačové sběrnice a přepínače, řadiče paměti, mechanismy pro odlehčení procesoru, např. přímý přístup do paměti, otázky víceprocesorového zpracování atd.
Otázka: Jak je implementace rozdělena na tři části?
Odpověď: Implementaci lze rozdělit na logickou implementaci, která zahrnuje návrh bloků definovaných v mikroarchitektuře na úrovni přenosu registrů nebo hradel; obvodovou implementaci, která zahrnuje návrh základních prvků nebo větších bloků na úrovni tranzistorů; fyzickou implementaci, která zahrnuje rozkreslení fyzických obvodů, umístění různých obvodových prvků na půdorys čipu nebo desky, směrování vodičů, které je spojují.
