Архітектура комп'ютера

Конвеєрна реалізація архітектури MIPS. Конвеєрність є ключовою концепцією в архітектурі комп'ютера.

У комп'ютерній інженерії і інформатиці,^[1] архітектура комп'ютера (англ. Computer architecture) — це набір дисциплін, які описують функціональність, організацію та реалізацію комп'ютерних систем. Деякі визначення архітектури є описами можливостей та програмної моделі комп'ютера, але не конкретної реалізації.^[2] Інші описи комп'ютерної архітектури містять опис архітектури системи команд, логічної побудови та реалізації.^[3]

Серед таких комп'ютерних архітектур, найбільшого поширення отримали два типи архітектури: архітектура фон Неймана і гарвардська. Обидві вони виділяють 2 основних вузли ЕОМ: центральний процесор і пам'ять комп'ютера. Різниця полягає в структурі пам'яті: в принстонській архітектурі програми і дані зберігаються в одному масиві пам'яті і передаються в процесор одним каналом, тоді як гарвардська архітектура передбачає окремі сховища і потоки передачі для команд і даних.

У докладніший опис, що визначає конкретну архітектуру, також входять: структурна схема ЕОМ, засоби і способи доступу до елементів цієї структурної схеми, організація і розрядність інтерфейсів ЕОМ, набір і доступність регістрів, організація пам'яті та способи її адресації, набір і формат машинних команд процесора, способи представлення і формати даних, правила обробки переривань.

За перерахованими ознаками та їх поєднаннями серед архітектур виділяють:

• За розрядністю інтерфейсів і машинних слів: 8-, 16-, 32-, 64-розрядні (ряд ЕОМ має й інші розрядності);
• За особливостями набору регістрів, формату команд і даних: CISC, RISC, VLIW;
• За кількістю центральних процесорів: однопроцесорні, багатопроцесорні, суперскалярні;
• багатопроцесорні за принципом взаємодії з пам'яттю: симетричні багатопроцесорні (SMP), масивно-паралельні (MPP), розподілені.

Підкатегорії

Дисципліні комп'ютерної архітектури мають три основні підкатегорії:^[4]

1. Архітектура системи команд (англ. instruction set architecture, ISA). Архітектура системи команд визначає машинний код, який процесор зчитує і виконує, а також розмір слова, способи адресації пам'яті, регістри процесора, і формати даних.
2. Мікроархітектура, або побудова комп'ютера (англ. computer organization) описує, як процесор реалізує систему команд.^[5] Наприклад, розмір кешу процесора це виключно питання побудови комп'ютера і немає нічого спільного з архітектурою системи команд.
3. Системне проектування (англ. System Design) містить усі інші апаратні елементи обчислювальної системи. Це включає:
   1. Обробка даних поза процесором, така як прямий доступ до пам'яті (DMA)
   2. Інші властивості, такі, як віртуалізація, багатопроцесорність та програмне забезпечення.

Деякі архітектури від таких компаній, як Intel і AMD використовують більш тонкі відмінності. Наприклад, вони послуговуються макроархітектурою, це шар більш абстрактний ніж мікроархітектура.

Виникнення терміну

Поняття архітектури ЕОМ вперше було успішно застосовано при проектуванні серії обчислювальних машин IBM System/360, серії універсальних ЕОМ загального призначення, кожна з яких мала різну швидкодію та конструктивні особливості, але всі вони були програмно сумісними. Така сумісність означала можливість виконувати програми без необхідності їх додаткової адаптації до різних моделей серії та була певною мірою революційною, адже в той час практично всі ЕОМ випускались, як би ми зараз сказали, з унікальною архітектурою і необхідні були суттєві витрати для адаптації існуючого програмного забезпечення до нових моделей обчислювальної техніки. І якщо для спеціалізованих обчислювачів це було платою за високі показники швидкодії, то для класу універсальних ЕОМ така ситуація була неприпустимою.

Спеціалісти фірми IBM при створенні System/360 (S/360) зробили архітектуру єдиною для всіх машин серії, але реалізували її в кожній машині по-різному. В 1964 році було анонсовано відразу 6 моделей S/360.

Архітектура S/360 саме завдяки такій сумісності моделей мала надзвичайний комерційний успіх та отримала свій розвиток в наступній серіях: System/370, System/390 і в новій серії z/Server.

Ролі

Визначення

Метою є розробка комп'ютера, який би максимізував продуктивність роботи, контролюючи споживання енергії, коштував дешево відносно до обсягу очікуваної продуктивності та був дуже надійним.  Для цього повинно бути враховано багато аспектів, серед яких Проектування набору команд, Функціональна організація, Логічне проектування та Імплементація. Імплементація складається з Проектування на основі використання мікросхем, Компонування, Потужності та Охолодження. Оптимізація дизайну потребує обізнаності у Компіляторах, Операційних системах, Логічному проектуванні та Компонуванні.

Архітектура системи команд

Структура системи команд (ССК) це область взаємодії між програмним та апаратним забезпеченням і також бачення програмістом машини. Комп'ютери не розуміють мов високого рівня, які мають мало або взагалі не мають елементів, які напряму можуть бути трансльовані у машинний операційний код. Процесор розуміє інструкції, закодовані у якийсь цифровий спосіб, зазвичай як двійкові числа. Програмні інструменти, такі як компілятори, транслюють мови високого рівня, такі як С, в інструкції.

Окрім інструкцій, ССК визначає елементи комп'ютера, які доступні програмі – наприклад типи даних, регістри, способи адресації та пам'ять. Інструкції розташовують операнди з індексами регістрів (або іменами) й способами адресації пам'яті.

ССК комп'ютера зазвичай описано у маленькій книжці, де пояснено як закодовані команди. Також там можуть бути визначені короткі мнемонічні імена цих команд. Ці імена можуть бути розпізнані асемблером. Асемблер – це програма, що транслює форму, зрозумілу для людину, у форму, зрозумілу для комп'ютера. Дизасемблери також часто застосовуються у налагоджувальних програмах, які ізолюють та виправляють хибні функції.

ССК різняться за якістю та складністю. Якісна ССК йде на компроміс між зручністю для програміста (чим більше операцій, тим краще), витратами комп'ютера на інтерпретацію команд   (чим дешевше, тим краще), швидкістю комп'ютера (чим швидше, тим краще) та розміром коду (чим менше, тим краще). Наприклад, ССК, що складається з однієї команди, дешева та швидка, але незручна у використанні та потребує написання довгого коду. Організація пам'яті визначає, як команди взаємодіють з пам'яттю, а також як різні  частини пам'яті взаємодіють між собою.

Під час проектування емуляційне програмне забезпечення може запускати програми, що записані у запропонованій системі команд. Сучасні емуляційні тести можуть виміряти час, використання енергії та розмір скомпільованого коду щоб визначити, чи ССК виконує поставлені задачі.

Організація комп'ютера

Організація комп'ютера допомагає оптимізувати продукти, що базуються на продуктивності комп'ютера.  Наприклад, розробники програмного забезпечення повинні знати здатність обробки процесора. Їм можливо доведеться оптимізувати програмне забезпечення з ціллю отримати найкращу продуктивність за найменших витрат. Це потребує детального аналізу організації комп'ютера.

Організація комп'ютера також допомагає спланувати вибір процесора для відповідного проекту. Мультимедійним проектам може знадобитися дуже швидкий доступ до даних, у той час як керувальному програмному забезпеченню потрібні швидкі переривання. Інколи деякі завдання потребують також додаткових компонентів. Наприклад, комп'ютер, здатний до віртуалізації, потребує віртуальної пам'яті, щоб пам'ять різних симульованих комп'ютерів могла зберігатися окремо. Організація комп'ютера  та властивості також впливають на вживання енергії  та ціну процесора.

Імплементація

Після розробки ССК та мікро-архітектури повинна бути спроектована практична машина. Процес проектування називається імплементацією. Імплементацію зазвичай  відносять не до визначень архітектури, а до проектування апаратного забезпечення. Процес імплементації можна розбити на декілька стадій:

• Логічна імплементація : проектування блоків визначених в мікро-архітектурі на рівні міжрегістрових передач та на рівні логічних вентилів.
• Імплементація схем: проектування як базових елементів транзисторного рівня (вентилів, мультиплексорів та ін.), так і деяких більших блоків (арифметично-логічні пристрої, кеш та ін.), які можуть бути реалізовані на цьому рівні, або навіть частково на фізичному рівні.
•  Фізична імплементація: Створення плану мікросхем: розташування компонентів мікросхем на кристалах, планування розташування з'єднувальних провідників.
•  Утвердження дизайну:  Тестування комп'ютера на здатність працювати в усіх ситуаціях за будь-якого хронометражу. 

Цілі проектування

Точна форма комп'ютера залежить від обмежень та цілей. Архітектура комп'ютера зазвичай оцінюється за такими критеріями: потужність, продуктивність, ціна, об'єм пам'яті, латентність (інтервал часу від моменту запиту даних до отримання їх перших бітів) і виробність. Інколи враховуються інші фактори, такі як розмір, вага, надійність та можливість розширення.

Найпоширеніша схема робить детальний аналіз потужності та встановлює, як знизити споживання потужності, зберігаючи при цьому адекватну виробність.

Продуктивність

Архітектури та програмна сумісність

Аналогічно тому, як стрілковий годинник багато віків залишається зручним способом слідкування за часом, вдалі архітектури ЕОМ можуть залишатись конкурентоспроможними протягом десятиліть. Еволюціювати може і сама архітектура, збагачуючи програміста новими інструментами для написання надійніших та швидкодіючих програм.

Приклад — архітектура IA-32 (у вживанішому позначенні x86, починаючи з i386) центрального процесора фірми Intel, яка є ключовою складовою загальної архітектури ЕОМ. Ця архітектура не була революційною, а зберегла повну сумісність знизу вгору з попередньою архітектурою IA-16 (x86, закінчуючи i286), але в неї були додані нові інструменти для роботи в захищеному режимі, організації багатозадачної роботи, розширена розрядність операндів тощо. Кожне наступне сімейство процесорів IA-32 включає нові інструменти, нові команди, але при цьому вимога до сумісності знизу вгору залишається недоторканною.

Ця сумісність є певною жертвою з боку розробника, який міг би, напевно, запропонувати радикально нову архітектуру, яка має масу переваг в порівнянні з іншими, морально застарілими, але він таким вчинком змусив би користувачів на колосальні витрати, пов'язані з адаптацією існуючого програмного забезпечення, накопиченого за багато років експлуатації. Ця обставина миттєво нівелює будь-які аргументи привабливості нової архітектури для більшості потенційних користувачів. Акуратніший підхід якраз полягає в забезпеченні еволюційної наступності нових архітектур.

Існує й інше вирішення проблеми сумісності програмного забезпечення з різними архітектурами ЕОМ — використання мов програмування високого рівня для написання крос-платформених програм (переносимих програм). Під переносимими програмами розуміють такі програми, в текстах яких не використовуються ніякі специфічні для будь-якої конкретної архітектури відомості. Мова високого рівня повинна в свою чергу бути стандартизованою. Це дає гарантію того, що одного разу написана, програма може бути використана на різних архітектурах. Відповідальність за адаптацію високорівневих конструкцій мови програмування до особливостей конкретної архітектури бере на себе компілятор з цієї мови для даної конкретної архітектури.

Див. також

• x86
• Тік-так (стратегія)
• Апаратне забезпечення
• Послідовна архітектура ЕОМ
• Рознесена архітектура
• Конфігурація комп'ютера
• Процесор

Примітки

1. Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Computer Engineering (PDF). Association for Computing Machinery. 2004. с. 60. Архів оригіналу (PDF) за 12 червня 2019. Процитовано 12 червня 2015. Computer architecture is a key component of computer engineering and the practicing computer engineer should have a practical understanding of this topic... [Архівовано 2019-06-12 у Wayback Machine.]
2. Clements, Alan. Principles of Computer Hardware (вид. Fourth Edition). с. 1. Architecture describes the internal organization of a computer in an abstract way; that is, it defines the capabilities of the computer and its programming model. You can have two computers that have been constructed in different ways with different technologies but with the same architecture.
3. Hennessy, John; Patterson, David. Computer Architecture: A Quantitative Approach (вид. Fifth Edition). с. 11. This task has many aspects, including instruction set design, functional organization, logic design, and implementation.
4. John L. Hennessy and David A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach (вид. Third Edition). Morgan Kaufmann Publishers.
5. Laplante, Phillip A. (2001). Dictionary of Computer Science, Engineering, and Technology. CRC Press. с. 94—95. ISBN 0-8493-2691-5.