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^[1][2]. Аспекты реализации (например, технология, используемые при создании памяти) не являются частью архитектуры^[3]

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней:^[3][4]

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.

Первая документально оформленная компьютерная архитектура содержится в переписке между Чарльзом Бэббиджем и Адой Лавлейс, в которой описывался механизм анализа. При создании компьютера Z1 в 1936 году Конрад Цузе в двух патентных заявках изложил свои будущие проекты.^[5] Два других ранних и значимых примера:

• Статья Джона фон Неймана 1945 года — первый проект отчета об EDVAC, в котором описана организация логических элементов.
• В том же 1945 году Алан Тьюринг представил предложение по созданию Электронного Калькулятора для Автоматического Вычислительного Двигателя, что впоследствии послужило основой для статьи Джона фон Неймана.

Термин «архитектура» в компьютерной литературе зародился благодаря работам Лило Р. Джонсона, Фридриха П. Брукса-младшего и Мохаммада Усмана Хана, сотрудников отдела машинной организации главного исследовательского центра IBM в 1959 году. Джонсону представилась возможность написать собственный отчет об исследовании суперкомпьютера Stretch, разработанного IBM в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Чтобы описать уровень детализации обсуждения устройства, он отметил, что его описание форматов, типов команд, параметров и оперативных усовершенствований находилось на уровне «архитектуры системы» — термин, который оказался более полезным, чем «машинная организация».

Позднее Брукс, дизайнер Stretch, приступил к работе над второй книгой «Планирование компьютерной системы: проект Stretch» (изд. W. Buchholz, 1962), в которой он писал:

«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 участвовать в разработке линейки компьютеров IBM System/360 (ныне называемой IBM zSeries), в которой «архитектура» стала термином, определяющим «то, что пользователь должен знать».

На ранних этапах компьютерная архитектура разрабатывалась на бумаге и непосредственно реализовывалась в аппаратной форме. Позже прототипы архитектур создавались в виде транзисторно-логических схем (TTL), например, прототипы 6800 и протестированный PA-RISC, которые корректировались перед переходом к окончательной аппаратной реализации. Начиная с 1990-х годов, новые компьютерные архитектуры, как правило, разрабатываются, тестируются и настраиваются с использованием симуляторов, либо реализуются в виде программных микропроцессоров на ПЛИС, либо с применением обоих подходов, прежде чем перейти к окончательной аппаратной форме.^[6]

• CISC (англ. complex instruction set computing) — архитектура с полным набором команд такова, что процессоры выполняют все команды, простые и сложные, за большое количество тактов, что в таких процессорах много команд, а современные компиляторы редко используют все команды;
• RISC (англ. reduced instruction set computing) — архитектура с сокращённым набором команд, которую процессоры, в целом, выполняют быстрее, чем при использовании архитектуры cisc, упрощает архитектуру и сокращает количество команд, но для выполнения сложной команды она состоит из набора простых, что увеличивает время выполнения команды (в большем количестве циклов). Современные risc-процессоры приближаются к классическим CISC-аналогам или даже превосходят их по внутренней сложности;
• MISC (англ. minimal instruction set computing) — Архитектура с сокращенным набором команд, которую процессоры обычно реализуют быстрее, чем при использовании архитектуры cisc, упрощает архитектуру и сокращает количество команд, но для выполнения сложной команды она состоит из набора простых команд, что увеличивает время выполнения команды (в большем количестве циклов). Современные risc-процессоры приближаются к своим классическим CISC-аналогам или даже превосходят их по внутренней сложности;
• 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.

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

• Логические элементы
• Триггер
• Регистр (цифровая техника)
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
• Виртуальная память
• Файл
• Цифровой сигнальный процессор
• Центральный процессор

• 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. Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5th Edition. — 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.