Interested Article - Архитектура компьютера

Архитекту́ра компью́тера — это модель компьютерной системы, воплощённая в её компонентах, их взаимодействии между собой и окружением, включающая также принципы её проектирования и развития . Аспекты реализации (например, технология, применяемая при реализации памяти ) не являются частью архитектуры

Уровни организации

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней :

Схема, иллюстрирующая многоуровневую структуру компьютера

Уровень 0: Цифровой логический уровень, это аппаратное обеспечение машины , состоящий из вентилей . См. также Логические элементы (защелки), триггеры , регистры
Уровень 1: Микроархитектурный уровень, интерпретация (микропрограммы) или непосредственное выполнение. Электронные схемы исполняют машинно-зависимые программы. Совокупность регистров процессора формирует локальную память. См. также арифметико-логическое устройство , устройство управления . Его задача — интерпретация команд уровня 2 (уровня архитектуры команд). В настоящее время на уровне архитектуры команд обычно находятся простые команды, которые выполняются за один цикл (таковы, в частности, RISCмашины)
Уровень 2: Уровень архитектуры системы команд , трансляция ( ассемблер )
Уровень 3: Уровень операционной системы , трансляция (ассемблер). Это гибридный уровень: одна часть команд интерпретируется операционной системой, а другая — микропрограммой. См. также виртуальная память , файлы
Уровень 4: Уровень языка ассемблера, трансляция ( компилятор ). Четвертый уровень и выше используется для написания прикладных программ , с первого по третий — системных программ . Программы в удобном для человека виде транслируются на язык уровней 1-3
Уровень 5: Язык высокого уровня . Программы на языках высокого уровня транслируются обычно на уровни 3 и 4

История

Первая документально оформленная компьютерная архитектура находилась в переписке между Чарльзом Бэббиджем и Адой Лавлейс , описывающим механизм анализа. При создании компьютера Z1 в 1936 году Конрад Цузе описал в двух патентных заявках свои будущие проекты. Два других ранних и важных примера:

Статья Джона фон Неймана 1945 года, первый проект отчета об EDVAC , в котором описана организация логических элементов;

Более подробный Предложенный Электронный Калькулятор Алана Тьюринга для Автоматического Вычислительного Двигателя, также в 1945 году, который привел статью Джона фон Неймана.

Термин «архитектура» в компьютерной литературе можно проследить до работы Лайла Р. Джонсона, Фридриха П. Брукса-младшего и Мохаммада Усмана-хана. Все они были членами отдела машинной организации, в основном исследовательском центре IBM в 1959 году. У Джонсона была возможность написать собственное исследовательское сообщение о суперкомпьютере Stretch, разработанном IBM в Лос-Аламосской национальной лаборатории (в то время известном как Лос-Аламос Научная лаборатория). Чтобы описать уровень детализации для обсуждения роскошно украшенного компьютера, он отметил, что его описание форматов, типов команд, аппаратных параметров и улучшений скорости было на уровне «системной архитектуры» — термин, который казался более полезным, чем «машинная организация».

Впоследствии Брукс, дизайнер стретч, начал главу второй книги («Планирование компьютерной системы: проект Stretch», изд., W. Buchholz, 1962), написав:

"Компьютерная архитектура, как и другая архитектура, — это искусство определения потребностей пользователя структуры, а затем проектирования для максимально эффективного удовлетворения этих потребностей в рамках экономических и технологических ограничений"

Брукс продолжал помогать в разработке линейки компьютеров IBM System / 360 (теперь называемой IBM zSeries), в которой «архитектура» стала существительным, определяющим «то, что пользователь должен знать».

Самые ранние компьютерные архитектуры были разработаны на бумаге, а затем непосредственно встроены в окончательную аппаратную форму. Позже прототипы компьютерной архитектуры были физически построены в виде транзисторно-транзисторной логической системы (TTL), такой как прототипы 6800 и испытанного PA-RISC, и исправлены, прежде чем перейти к окончательной аппаратной форме. Начиная с 1990-х годов новые компьютерные архитектуры обычно «строятся», тестируются и настраиваются внутри какой-либо другой компьютерной архитектуры в симуляторе компьютерной архитектуры; или внутри ПЛИС в качестве мягкого микропроцессора; Или оба — перед тем, как совершить окончательную аппаратную форму.

Классификация

По типу применяемого процессора

CISC (англ. complex instruction set computing) — архитектура с полным набором команд. Такие процессоры выполняют все команды, простые и сложные, за большое количество тактов. Команд в таких процессорах много, и компиляторы верхнего уровня редко используют все команды
RISC (англ. reduced instruction set computing ) — архитектура с сокращённым набором команд. Такие процессоры, в целом, работают быстрее, чем с CISC-архитектурой, за счёт упрощения архитектуры и сокращения количества команд, но для выполнения сложной команды она составляется из набора простых, что увеличивает время выполнения команды (за большее количество тактов). Современные процессоры RISC по внутренней сложности приближаются, а то и превосходят классические CISC аналоги
MISC (англ. minimal instruction set computing ) — архитектура с минимальным набором команд. Такие процессоры имеют минимальное количество команд, все команды простые и требуют небольшого количества тактов на выполнение, но если выполняются сложные вычисления, например, с числами с плавающей запятой, то такие команды выполняются за существенно большее количество тактов, превышающее CISC- и RISC-архитектуры
VLIW (англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура с длинной машинной командой, в которой указывается параллельность выполнения вычислений. Такие процессоры получили широкое применение в цифровой обработке сигналов

По принципу разделения памяти

Гарвардская архитектура — характерной чертой является разделение памяти программ и памяти данных
Фон Неймановская архитектура — характерной чертой является совместное хранение программ и данных

См. также

Примечания

. Дата обращения: 12 февраля 2022. 12 февраля 2022 года.
, с. 97.
↑ Таненбаум Э. С. Архитектура компьютера. — СПб: Питер, 2007, ISBN 5-469-01274-3 , C.23
Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. СПб.: Питер, 2003, ISBN 5-318-00298-6
. curation.cs.manchester.ac.uk. Дата обращения: 3 июня 2017. 4 мая 2012 года.
(англ.) . www-03.ibm.com (7 марта 2012). Дата обращения: 3 июня 2017. 30 мая 2017 года.
. www.cise.ufl.edu. Дата обращения: 3 июня 2017. 31 октября 2016 года.

Литература

Joseph D. Dumas II. Computer Architecture: Fundamentals and Principles of Computer Design. — CRC Press, 2005. — ISBN 978-0-8493-2749-0 .
David A. Patterson , John L. Hennessy . . — Morgan Kaufmann, 2011. — 856 p. — ISBN 012383872X . (англ.)
Дэвид Харрис, Сара Харрис. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера, 2-е издание, перевод командой компаний и университетов России, Украины, США и Великобритании, Morgan Kaufman,2013
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. СПб.: Питер, 2014, ISBN 978-5-496-00337-7
Н. В. Максимов, Т. Л. Партыка, И. И. Попов. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. — М. : Форум — Инфра-М, 2005. — 512 с. — ISBN 5-8199-0160-6 .