Počítačová architektura

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 17. února 2022; kontroly vyžadují 8 úprav .

Architektura počítače  je koncepční model počítačového systému, ztělesněný v jeho komponentách, jejich vzájemné interakci a prostředí, včetně zásad jeho návrhu a vývoje [1] [2] . Implementační aspekty (jako je technologie použitá k implementaci paměti ) nejsou součástí architektury [3] .

Organizační úrovně

Existuje několik úrovní organizace počítače (architektura počítače), ze dvou nebo více: [3]

Úroveň 0 Digitální logická úroveň je hardware stroje, který se skládá z hradel . Viz také Logické prvky (západky), klopné obvody , registry . Úroveň 1 Mikroarchitektonická úroveň, interpretace (firmware) nebo přímá realizace. Elektronické obvody provádějí programy závislé na stroji. Sada registrů procesoru tvoří lokální paměť. Viz také aritmetická logická jednotka , řídicí jednotka . Jeho úkolem je interpretovat příkazy úrovně 2 (Command Architecture). V současnosti se na úrovni instrukční architektury obvykle vyskytují jednoduché instrukce, které jsou vykonávány v jednom cyklu (jako jsou zejména RISC stroje). Úroveň 2 Úroveň architektury příkazového systému , překlad ( assembler ). Úroveň 3 Úroveň operačního systému , překlad (assembler). Toto je hybridní úroveň: jedna část příkazů je interpretována operačním systémem a druhá část je interpretována firmwarem. Viz také virtuální paměť , soubory . Úroveň 4 Úroveň assembleru, překlad ( překladač ). Čtvrtá úroveň a výše se používá k psaní aplikačních programů , od první do třetí systémové programy . Programy v lidsky přátelské formě jsou přeloženy do jazyka úrovní 1-3. Úroveň 5 Jazyk na vysoké úrovni . Programy ve vyšších jazycích jsou obvykle překládány do úrovní 3 a 4.

Historie

První zdokumentovaná počítačová architektura byla v korespondenci mezi Charlesem Babbagem a Adou Lovelace , popisující motor analýzy. Při vytváření počítače Z1 v roce 1936 popsal Konrad Zuse své budoucí projekty ve dvou patentových přihláškách. [4] Dva další rané a důležité příklady:

John von Neumann má 1945 papíru , první návrh zprávy EDVAC , který popisoval organizaci logických bran;

Podrobnější Proposed Electronic Calculator od Alana Turinga pro automatický výpočetní stroj, také v roce 1945, který citoval článek Johna von Neumanna.

Termín "architektura" v počítačové literatuře lze vysledovat zpět k práci Lyle R. Johnsona, Friedricha P. Brookse, Jr., a Mohammada Usmana Khana. Všichni byli členy oddělení organizace strojů v hlavním výzkumném středisku IBM v roce 1959. Johnson měl příležitost napsat svůj vlastní výzkumný článek o superpočítači Stretch vyvinutém IBM v Los Alamos National Laboratory (tehdy známé jako Los Alamos Science Laboratory). Aby popsal úroveň podrobností pro diskusi o přepychově zdobeném počítači, poznamenal, že jeho popis formátů, typů instrukcí, hardwarových možností a vylepšení rychlosti byl na úrovni „architektury systému“ – termín, který se zdál užitečnější než „organizace stroje“. ."

Následně Brooks, konstruktér protažení, začal kapitolu ve druhé knize (Designing a Computer System: The Stretch Project, ed., W. Buchholz, 1962) tím, že napsal:

"Počítačová architektura, stejně jako architektura, je uměním identifikovat potřeby uživatele struktury a následně navrhnout, aby tyto potřeby co nejlépe vyhovovaly v rámci ekonomických a technologických omezení."

Brooks pokračoval ve vývoji řady počítačů IBM System/360 (nyní nazývané IBM zSeries), ve kterých se „architektura“ stala podstatným jménem pro „to, co uživatel potřebuje vědět“. [5]

Nejstarší počítačové architektury byly navrženy na papíře a poté přímo zabudovány do konečné hardwarové podoby. Pozdější prototypy počítačové architektury byly fyzicky stavěny jako tranzistorově-tranzistorový logický (TTL) systém jako 6800 a osvědčené prototypy PA-RISC a opraveny před přechodem na finální hardwarovou formu. Začátek v devadesátých létech, nové počítačové architektury jsou typicky “postavený”, testovaný, a laděný uvnitř nějaké jiné počítačové architektury v simulátoru počítačové architektury; nebo uvnitř FPGA jako měkký mikroprocesor; Nebo obojí – před vytvořením finální hardwarové podoby. [6]

Klasifikace

Podle typu použitého procesoru

• CISC ( Complex Instruction Set Computing) je architektura s úplnou sadou příkazů. Takové procesory provádějí všechny instrukce, jednoduché i složité, ve velkém počtu cyklů. V takových procesorech je mnoho instrukcí a kompilátory nejvyšší úrovně zřídka používají všechny instrukce.
• RISC (angl. limited installation set computing ) - architektura s redukovanou sadou instrukcí. Takové procesory obecně pracují rychleji než architektura CISC, kvůli zjednodušení architektury a snížení počtu instrukcí, ale pro provedení složité instrukce se skládají ze sady jednoduchých, což zvyšuje výkon čas instrukce (pro více cyklů). Stojí za zmínku, že moderní RISC procesory se co do vnitřní složitosti blíží nebo dokonce předčí klasické CISC protějšky.
• MISC (angl. minimální instrukční sada computing ) - architektura s minimální sadou instrukcí. Takové procesory mají minimální počet instrukcí, všechny instrukce jsou jednoduché a vyžadují malý počet cyklů k provedení, ale pokud se provádějí složité výpočty, například s čísly s pohyblivou řádovou čárkou, pak se takové instrukce provádějí ve výrazně větším počtu cyklů. , převyšující architektury CISC a RISC.
• VLIW (anglické  slovo velmi dlouhé instrukce  - „very long machine instrukce“) je architektura s dlouhou strojovou instrukcí, která označuje paralelní provádění výpočtů. Takové procesory našly široké použití v digitálním zpracování signálu .

Podle principu sdílení paměti

• Harvardská architektura – charakteristickým znakem je oddělení programové paměti a datové paměti.
• Von Neumannova architektura – charakteristickým znakem je společné ukládání programů a dat.

Viz také

• Logické prvky
• Spoušť
• Registrovat (digitální technologie)
• Aritmetická logická jednotka (ALU)
• Virtuální paměť
• Soubor
• Digitální signálový procesor
• procesor

Poznámky

1. ↑ IEEE 1471 . Získáno 12. února 2022. Archivováno z originálu dne 12. února 2022. (neurčitý)
2. ↑ Maksimov, 2005 , str. 97.
3. ↑ 1 2 Tanenbaum E. S. Architektura počítačů. - Petrohrad: Petr, 2007, ISBN 5-469-01274-3 , C.23
4. ↑ 50. výročí počítače Manchester Baby . curation.cs.manchester.ac.uk. Získáno 3. června 2017. Archivováno z originálu dne 4. května 2012. (neurčitý)
5. ↑ IBM100 - System  360 . www-03.ibm.com (7. března 2012). Získáno 3. června 2017. Archivováno z originálu 30. května 2017.
6. ↑ Organizace počítačových systémů: Úvod, Abstrakce, Technologie . www.cise.ufl.edu. Získáno 3. června 2017. Archivováno z originálu 31. října 2016. (neurčitý)

Literatura

• Josef D. Dumas II. Počítačová architektura: Základy a principy počítačového designu. - CRC Press, 2005. - ISBN 978-0-8493-2749-0 .
• David A. Patterson , John L. Hennessy . Počítačová architektura: kvantitativní přístup, 5. vydání . - Morgan Kaufmann, 2011. - 856 s. — ISBN 012383872X .  (Angličtina)
• David Harris, Sarah Harris. Digital Circuitry and Computer Architecture, 2. vydání, přeloženo týmem společností a univerzit v Rusku, na Ukrajině, v USA a Velké Británii, Morgan Kaufman, 2013
• Tanenbaum E., Austin T. Architektura počítače. 6. vyd. Petrohrad: Piter, 2014, ISBN 978-5-496-00337-7
• N. V. Maksimov, T. L. Partyka, I. I. Popov. Architektura počítačů a výpočetních systémů. - M . : Fórum - Infra-M, 2005. - 512 s. - ISBN 5-8199-0160-6 .

Slovníky a encyklopedie	velká čínština Velký Rus Britannica (online)
V bibliografických katalozích	GND : 4048717-9 J9U : 987007545778705171 LCCN : sh85029479 NKC : ph124502