Αρχιτεκτονική υπολογιστών
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:
- 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.
- 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.
- 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.
Περισσότεροι επιμέρους ορισμοί
Ορισμένοι επαγγελματίες της αρχιτεκτονικής υπολογιστών χρησιμοποιούν πιο λεπτές υποκατηγορίες:
- Μακροαρχιτεκτονική: Αρχιτεκτονικά επίπεδα που είναι πιο αφηρημένα από τη μικροαρχιτεκτονική, για παράδειγμα ISA.
- Αρχιτεκτονική συνόλου εντολών (ISA): Όπως ορίζεται ανωτέρω.
- UISA (Microcode Instruction Set Architecture): Μια οικογένεια μηχανών με διαφορετικές μικροαρχιτεκτονικές σε επίπεδο υλικού μπορεί να μοιράζεται μια κοινή αρχιτεκτονική μικροκώδικα και ως εκ τούτου ονομάζεται UISA.
- Συναρμολόγηση ISA: Ένας έξυπνος assembler μπορεί να μετατρέψει μια αφηρημένη γλώσσα συναρμολόγησης κοινή για μια ομάδα CPU σε ελαφρώς διαφορετική γλώσσα μηχανής για διαφορετικές υλοποιήσεις CPU.
- Μακροαρχιτεκτονική ορατή από τον προγραμματιστή: Τα εργαλεία γλωσσών υψηλότερου επιπέδου, όπως οι μεταγλωττιστές, μπορούν να ορίσουν μια οριστική διεπαφή για τους προγραμματιστές που τα χρησιμοποιούν, αφαιρένοντας τις διαφορές μεταξύ των υποκείμενων ISA, UISA και μικροαρχιτεκτονικών- για παράδειγμα, τα πρότυπα C, C++ ή Java ορίζουν τρεις διαφορετικές οριστικές διεπαφές προγραμματισμού.
- Αρχιτεκτονική καρφιτσών: Το σύνολο των λειτουργιών που αναμένεται να παρέχει ένας μικροεπεξεργαστής, από τη σκοπιά μιας πλατφόρμας υλικού. Για παράδειγμα, τα σήματα που αναμένεται να εκπέμπει ο επεξεργαστής κατά την εκτέλεση μιας εντολής.
Παραδείγματα αρχιτεκτονικών υπολογιστών
- Ο x86, που κατασκευάζεται από την Intel και την AMD.
- Ο SPARC, κατασκευασμένος από τη Sun Microsystems και άλλους.
- Ο PowerPC, κατασκευασμένος από την Apple, την IBM και τη Motorola.
Σχετικές σελίδες
- Υλικό υπολογιστών
- Αρχιτεκτονική λογισμικού
- Μικροαρχιτεκτονική
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ε: Τι είναι η αρχιτεκτονική υπολογιστών;
A: Η αρχιτεκτονική υπολογιστών είναι ο εννοιολογικός σχεδιασμός και η θεμελιώδης λειτουργική δομή ενός συστήματος υπολογιστών. Περιλαμβάνει τα τεχνικά σχέδια και τη λειτουργική περιγραφή όλων των απαιτήσεων σχεδιασμού, όπως οι ταχύτητες και οι διασυνδέσεις, προκειμένου να δημιουργηθούν υπολογιστές που πληρούν τους στόχους απόδοσης, κόστους και λειτουργικότητας.
Ερ: Ποιες είναι οι τρεις κύριες υποκατηγορίες της αρχιτεκτονικής υπολογιστών;
Α: Οι τρεις κύριες υποκατηγορίες της αρχιτεκτονικής υπολογιστών είναι η αρχιτεκτονική συνόλου εντολών (Instruction Set Architecture - ISA), η μικροαρχιτεκτονική (γνωστή και ως οργάνωση υπολογιστών) και η σχεδίαση συστήματος.
Ερ: Τι περιλαμβάνει η ISA;
Α: Η αρχιτεκτονική συνόλου εντολών (ISA) περιλαμβάνει ένα αφηρημένο μοντέλο ενός υπολογιστικού συστήματος που βλέπει ένας προγραμματιστής γλώσσας μηχανής ή γλώσσας συναρμολόγησης. Αυτό περιλαμβάνει το σύνολο εντολών, τους τρόπους διευθύνσεων μνήμης, τους καταχωρητές του επεξεργαστή και τις μορφές διευθύνσεων και δεδομένων.
Ε: Τι περιλαμβάνει η μικροαρχιτεκτονική;
Α: Η μικροαρχιτεκτονική περιλαμβάνει μια λεπτομερή περιγραφή του συστήματος σε χαμηλότερο επίπεδο, η οποία είναι επαρκής για την πλήρη περιγραφή της λειτουργίας όλων των μερών του υπολογιστικού συστήματος, καθώς και του τρόπου με τον οποίο διασυνδέονται και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για την υλοποίηση του ISA.
Ε: Τι περιλαμβάνει ο σχεδιασμός συστήματος;
Α: Η σχεδίαση συστήματος περιλαμβάνει όλα τα άλλα στοιχεία υλικού σε ένα υπολογιστικό σύστημα, όπως διασυνδέσεις συστήματος, όπως διαύλους υπολογιστών και μεταγωγείς, ελεγκτές μνήμης, μηχανισμούς αποφόρτισης της ΚΜΕ, όπως άμεση πρόσβαση στη μνήμη, θέματα πολυεπεξεργασίας κ.λπ.
Ερ: Πώς αναλύεται η υλοποίηση σε τρία κομμάτια;
Α: Η υλοποίηση μπορεί να αναλυθεί σε: Λογική υλοποίηση που περιλαμβάνει το σχεδιασμό των μπλοκ που ορίζονται στη μικροαρχιτεκτονική σε επίπεδο καταχωρητών-μεταφοράς ή πύλης- Υλοποίηση κυκλωμάτων που περιλαμβάνει το σχεδιασμό σε επίπεδο τρανζίστορ για βασικά στοιχεία ή μεγαλύτερα μπλοκ- Φυσική υλοποίηση που περιλαμβάνει τη σχεδίαση φυσικών κυκλωμάτων, την τοποθέτηση διαφορετικών στοιχείων κυκλωμάτων σε μια κάτοψη τσιπ ή σε μια πλακέτα, τη δρομολόγηση καλωδίων που τα συνδέουν μεταξύ τους.
