Στη μηχανική υπολογιστών, η αρχιτεκτονική υπολογιστών είναι ο εννοιολογικός σχεδιασμός και η θεμελιώδης λειτουργική δομή ενός υπολογιστικού συστήματος. Είναι τα τεχνικά σχέδια και η λειτουργική περιγραφή όλων των απαιτήσεων σχεδιασμού (ιδίως των ταχυτήτων και των διασυνδέσεων), είναι ο τρόπος σχεδιασμού και υλοποίησης των διαφόρων τμημάτων ενός υπολογιστή - εστιάζοντας κυρίως στον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί εσωτερικά η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) και στον τρόπο με τον οποίο προσπελαύνει τις διευθύνσεις στη μνήμη.

Μπορεί να οριστεί ως η επιστήμη και η τέχνη της επιλογής και της διασύνδεσης εξαρτημάτων υλικού για τη δημιουργία υπολογιστών που ανταποκρίνονται στους στόχους λειτουργικότητας, απόδοσης και κόστους.

Η αρχιτεκτονική υπολογιστών περιλαμβάνει τουλάχιστον τρεις κύριες υποκατηγορίες:

  1. Η αρχιτεκτονική συνόλου εντολών ή ISA είναι το αφηρημένο μοντέλο ενός υπολογιστικού συστήματος που βλέπει ένας προγραμματιστής σε γλώσσα μηχανής (ή σε γλώσσα συναρμολόγησης), συμπεριλαμβανομένου του συνόλου εντολών, των τρόπων διευθύνσεων μνήμης, των καταχωρητών του επεξεργαστή και των μορφών διευθύνσεων και δεδομένων.
  2. Η μικροαρχιτεκτονική, γνωστή και ως οργάνωση υπολογιστών, είναι ένα χαμηλότερο επίπεδο, μια λεπτομερής περιγραφή του συστήματος που είναι επαρκής για την πλήρη περιγραφή της λειτουργίας όλων των μερών του υπολογιστικού συστήματος, καθώς και του τρόπου με τον οποίο αυτά συνδέονται μεταξύ τους και συνεργάζονται για την υλοποίηση του ISA. Το μέγεθος της κρυφής μνήμης ενός υπολογιστή, για παράδειγμα, είναι ένα οργανωτικό ζήτημα που γενικά δεν έχει καμία σχέση με την ISA.
  3. Σχεδιασμός συστήματος που περιλαμβάνει όλα τα άλλα στοιχεία υλικού σε ένα υπολογιστικό σύστημα, όπως:

·         Διασυνδέσεις συστημάτων, όπως δίαυλοι υπολογιστών και διακόπτες.

·         Ελεγκτές μνήμης και ιεραρχίες.

·         Μηχανισμοί αποφόρτισης της CPU, όπως η άμεση πρόσβαση στη μνήμη.

·         Θέματα όπως η πολυεπεξεργασία.

Αφού καθοριστούν τόσο το ISA όσο και η μικροαρχιτεκτονική, το πραγματικό υπολογιστικό σύστημα πρέπει να σχεδιαστεί σε υλικό. Αυτή η διαδικασία σχεδιασμού ονομάζεται υλοποίηση. Η υλοποίηση είναι συνήθως μια διαδικασία σχεδιασμού μηχανικού υλικού.

Η υλοποίηση μπορεί να αναλυθεί περαιτέρω σε τρία, αλλά όχι εντελώς ξεχωριστά κομμάτια:

  • Λογική εφαρμογή: Σχεδιασμός των μπλοκ που ορίζονται στη μικροαρχιτεκτονική, κυρίως σε επίπεδο καταχωρητή-μεταφοράς και πύλης.
  • Υλοποίηση κυκλώματος: Σχεδιασμός σε επίπεδο τρανζίστορ των βασικών στοιχείων (πύλες, πολυπλέκτες, flip-flops κ.λπ.) καθώς και ορισμένων μεγαλύτερων μπλοκ (ALUs, κρυφές μνήμες κ.λπ.) που μπορούν να υλοποιηθούν σε αυτό το επίπεδο, ή ακόμη και σε χαμηλότερο φυσικό επίπεδο, για λόγους απόδοσης.
  • Φυσική εφαρμογή: Τοποθετούνται τα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος σε ένα σχέδιο κάτοψης τσιπ ή σε μια πλακέτα και δρομολογούνται τα καλώδια που τα συνδέουν.

Για τις ΚΜΕ, ολόκληρη η διαδικασία υλοποίησης ονομάζεται συχνά σχεδιασμός ΚΜΕ- μπορεί επίσης να είναι μια οικογένεια συναφών σχεδιασμών ΚΜΕ, όπως RISC και CISC.