Что такое архитектура компьютера
Обновлено: 21.11.2024
Архитектура компьютера связана с проектированием компьютеров, устройств хранения данных и сетевых компонентов, которые хранят и запускают программы, передают данные и управляют взаимодействием между компьютерами, сетями и пользователями. Компьютерные архитекторы используют параллелизм и различные стратегии организации памяти для проектирования вычислительных систем с очень высокой производительностью. Компьютерная архитектура требует тесного взаимодействия между компьютерными учеными и компьютерными инженерами, поскольку они оба в основном сосредоточены на разработке аппаратного обеспечения.
На самом базовом уровне компьютер состоит из блока управления, арифметико-логического блока (ALU), блока памяти и контроллеров ввода-вывода (I/O). АЛУ выполняет простые операции сложения, вычитания, умножения, деления и логические операции, такие как ИЛИ и И. В памяти хранятся инструкции и данные программы. Блок управления извлекает данные и инструкции из памяти и использует операции АЛУ для выполнения этих инструкций с использованием этих данных. (Блок управления и АЛУ вместе называются центральным процессором [ЦП].) Когда встречается инструкция ввода или вывода, блок управления передает данные между памятью и назначенным контроллером ввода-вывода. Скорость работы ЦП в первую очередь определяет скорость работы компьютера в целом. Все эти компоненты — блок управления, АЛУ, память и контроллеры ввода-вывода — реализованы на транзисторных схемах.
Компьютеры размещают веб-сайты, состоящие из HTML, и отправляют текстовые сообщения так же просто, как. РЖУ НЕ МОГУ. Взломайте этот тест, и пусть какая-нибудь технология подсчитает ваш результат и раскроет вам его содержание.
Компьютеры также имеют другой уровень памяти, называемый кешем, небольшой, чрезвычайно быстрый (по сравнению с основной памятью или оперативной памятью [ОЗУ]) модуль, который можно использовать для хранения информации, которая срочно или часто требуется. Текущие исследования включают дизайн кэша и алгоритмы, которые могут прогнозировать, какие данные потребуются в следующий раз, и предварительно загружать их в кэш для повышения производительности.
Контроллеры ввода-вывода подключают компьютер к определенным устройствам ввода (таким как клавиатуры и сенсорные дисплеи) для передачи информации в память и к устройствам вывода (таким как принтеры и дисплеи) для передачи информации из памяти пользователям. Дополнительные контроллеры ввода-вывода подключают компьютер к сети через порты, обеспечивающие канал, по которому передаются данные, когда компьютер подключен к Интернету.
К контроллерам ввода-вывода подключены дополнительные устройства хранения, такие как дисковые накопители, которые работают медленнее и имеют большую емкость, чем основная или кэш-память. Дисковые накопители используются для хранения постоянных данных. Они могут быть постоянно или временно подключены к компьютеру в виде компакт-диска (CD), цифрового видеодиска (DVD) или карты памяти (также называемой флэш-накопителем).
Работа компьютера после загрузки программы и некоторых данных в оперативную память происходит следующим образом. Первая инструкция передается из ОЗУ в блок управления и интерпретируется аппаратной схемой. Например, предположим, что инструкция представляет собой строку битов, являющуюся кодом для ЗАГРУЗКИ 10. Эта инструкция загружает содержимое ячейки памяти 10 в АЛУ. Выбирается следующая инструкция, скажем, ADD 15. Затем блок управления загружает содержимое ячейки памяти 15 в АЛУ и добавляет его к уже имеющемуся номеру. Наконец, инструкция STORE 20 сохранит эту сумму в ячейке 20. На этом уровне работа компьютера мало чем отличается от работы карманного калькулятора.
В целом, программы — это не просто длинные последовательности операций ЗАГРУЗКИ, СОХРАНЕНИЯ и арифметических операций. Самое главное, компьютерные языки включают условные инструкции — по сути, правила, которые гласят: «Если ячейка памяти n удовлетворяет условию a, выполните следующую команду с номером x». , иначе выполните инструкцию y». Это позволяет определять ход программы по результатам предыдущих операций — критически важная возможность.
Наконец, программы обычно содержат последовательности инструкций, которые повторяются несколько раз до тех пор, пока заданное условие не станет истинным. Такая последовательность называется циклом. Например, потребуется цикл для вычисления суммы первых n целых чисел, где n — это значение, хранящееся в отдельной ячейке памяти.Компьютерные архитектуры, которые могут выполнять последовательности инструкций, условные инструкции и циклы, называются «полными по Тьюрингу», что означает, что они могут выполнять любой алгоритм, который может быть определен. Полнота по Тьюрингу — фундаментальная и важная характеристика любой компьютерной организации.
Логический дизайн — это область компьютерных наук, которая занимается проектированием электронных схем с использованием фундаментальных принципов и свойств логики (см. булева алгебра) для выполнения операций блока управления, ALU, контроллеры ввода-вывода и другое оборудование. Каждая логическая функция (И, ИЛИ и НЕ) реализуется устройством определенного типа, называемым логическим элементом. Например, схема сложения АЛУ имеет входы, соответствующие всем битам двух суммируемых чисел, и выходы, соответствующие битам суммы. Расположение проводов и вентилей, соединяющих входы и выходы, определяется математическим определением сложения. В конструкции блока управления предусмотрены схемы, интерпретирующие инструкции. Из-за потребности в эффективности логическая конструкция также должна оптимизировать схему для работы с максимальной скоростью и иметь минимальное количество логических элементов и цепей.
Важной областью, связанной с архитектурой, является разработка микропроцессоров, которые представляют собой полноценные ЦП — блок управления, АЛУ и память — на одном кристалле интегральной схемы. Дополнительная память и схемы управления вводом-выводом связаны с этим чипом, чтобы сформировать законченный компьютер. Эти миниатюрные устройства содержат миллионы транзисторов, реализующих блоки обработки и памяти современных компьютеров.
Проектирование микропроцессора СБИС происходит в несколько этапов, включая создание начальной функциональной или поведенческой спецификации, кодирование этой спецификации на языке описания оборудования, разбивку конструкции на модули и создание размеров и форм для конечных компонентов микросхемы. Это также включает в себя планирование чипа, которое включает в себя создание «плана этажа», чтобы указать, где на чипе каждый компонент должен быть размещен и соединен с другими компонентами. Ученые-компьютерщики также участвуют в создании инструментов автоматизированного проектирования (САПР), которые помогают инженерам на различных этапах проектирования микросхем, а также в разработке необходимых теоретических результатов, таких как эффективное проектирование плана этажа с почти минимальной площадью, удовлетворяющей требованиям. заданные ограничения.
Прогресс в области технологии интегральных схем был невероятным. Например, в 1971 году первый микропроцессорный чип (4004 корпорации Intel) имел всего 2300 транзисторов, в 1993 году чип Intel Pentium имел более 3 миллионов транзисторов, а к 2000 году количество транзисторов на таком чипе составило около 50 миллионов. Чип Power7, представленный IBM в 2010 году, содержал примерно 1 миллиард транзисторов. Явление, когда количество транзисторов в интегральной схеме удваивается примерно каждые два года, широко известно как закон Мура.
Закон Мура. Гордон Э. Мур заметил, что количество транзисторов на компьютерном чипе удваивается примерно каждые 18–24 месяца. Как показано на логарифмическом графике количества транзисторов в процессорах Intel на момент их появления, его «закон» соблюдался.
Отказоустойчивость — это способность компьютера продолжать работу при отказе одного или нескольких его компонентов. Для обеспечения отказоустойчивости ключевые компоненты часто реплицируются, чтобы резервный компонент мог взять на себя их функции при необходимости. Такие приложения, как управление воздушным судном и управление производственным процессом, работают на системах с резервными процессорами, готовыми взять на себя управление в случае отказа основного процессора, а резервные системы часто работают параллельно, поэтому переход происходит плавно. Если системы критичны в том смысле, что их сбой может привести к катастрофическим последствиям (как в случае управления воздушным судном), несовместимые результаты, полученные от реплицированных процессов, запущенных параллельно на отдельных машинах, разрешаются с помощью механизма голосования. Ученые-компьютерщики занимаются анализом таких реплицированных систем, предоставляя теоретические подходы к оценке надежности, достигаемой при данной конфигурации и параметрах процессора, таких как среднее время наработки на отказ и среднее время, необходимое для ремонта процессора. Отказоустойчивость также является желательной функцией в распределенных системах и сетях. Например, преимуществом распределенной базы данных является то, что данные, реплицированные на разных узлах сети, могут обеспечить естественный механизм резервного копирования в случае сбоя одного узла.
Вычислительные науки
Вычислительная наука применяет компьютерное моделирование, научную визуализацию, математическое моделирование, алгоритмы, структуры данных, сети, проектирование баз данных, символьные вычисления и высокопроизводительные вычисления для достижения целей различных дисциплин.Эти дисциплины включают биологию, химию, гидродинамику, археологию, финансы, социологию и судебную экспертизу. Вычислительная наука быстро развивалась, особенно из-за резкого роста объема данных, передаваемых с научных инструментов. Это явление получило название проблемы «больших данных».
Математические методы, необходимые для вычислительной науки, требуют преобразования уравнений и функций из непрерывных в дискретные. Например, компьютерное интегрирование функции на интервале выполняется не путем применения интегрального исчисления, а путем аппроксимации площади под графиком функции как суммы площадей, полученных при вычислении функции в дискретных точках. Точно так же решение дифференциального уравнения получается как последовательность дискретных точек, определяемых путем аппроксимации кривой истинного решения последовательностью касательных отрезков. При такой дискретизации многие проблемы можно преобразовать в уравнение, включающее матрицу (прямоугольный массив чисел), решаемую с помощью линейной алгебры. Численный анализ - это изучение таких вычислительных методов. При применении численных методов необходимо учитывать несколько факторов: (1) условия, при которых метод дает решение, (2) точность решения, (3) является ли процесс решения стабильным (т. е. не показывает рост ошибки) , и (4) вычислительная сложность (в смысле, описанном выше) получения решения желаемой точности.
Требования к научным задачам, связанным с большими данными, включая решение все более крупных систем уравнений, включают использование больших и мощных массивов процессоров (называемых мультипроцессорами или суперкомпьютерами), которые позволяют выполнять множество вычислений параллельно, назначая их отдельные элементы обработки. Эти действия вызвали большой интерес к архитектуре параллельных компьютеров и алгоритмам, которые можно эффективно выполнять на таких машинах.
Графика и визуальные вычисления
Графика и визуальные вычисления — это область, связанная с отображением и управлением изображениями на экране компьютера. Эта область охватывает эффективную реализацию четырех взаимосвязанных вычислительных задач: рендеринг, моделирование, анимация и визуализация. Графические методы включают в себя принципы линейной алгебры, численного интегрирования, вычислительной геометрии, специального оборудования, форматов файлов и графических пользовательских интерфейсов (GUI) для выполнения этих сложных задач.
Применения графики включают САПР, изобразительное искусство, медицинскую визуализацию, визуализацию научных данных и видеоигры. CAD-системы позволяют использовать компьютер для проектирования объектов, начиная от деталей автомобилей и заканчивая мостами и компьютерными чипами, предоставляя интерактивный инструмент рисования и инженерный интерфейс для инструментов моделирования и анализа. Приложения для изобразительного искусства позволяют художникам использовать экран компьютера в качестве среды для создания изображений, кинематографических спецэффектов, анимационных мультфильмов и телевизионных рекламных роликов. Приложения медицинской визуализации включают визуализацию данных, полученных с помощью таких технологий, как рентген и магнитно-резонансная томография (МРТ), чтобы помочь врачам в диагностике заболеваний. Научная визуализация использует огромные объемы данных для моделирования научных явлений, таких как моделирование океана, для создания изображений, которые обеспечивают более глубокое понимание явлений, чем таблицы чисел. Графика также обеспечивает реалистичную визуализацию для видеоигр, моделирования полета и других представлений реальности или фантазии. Термин виртуальная реальность был придуман для обозначения любого взаимодействия с компьютерным виртуальным миром.
Изображение человеческого мозга, пораженного раком, полученное с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Ярко-синяя область указывает на то, что рак распространился на затылочную долю (внизу справа).
Задачей компьютерной графики является разработка эффективных алгоритмов, которые управляют множеством линий, треугольников и многоугольников, составляющих компьютерное изображение. Чтобы на экране отображались реалистичные изображения, каждый объект должен быть представлен как набор плоских единиц. Края должны быть сглажены и текстурированы так, чтобы их основная конструкция из полигонов не была очевидна невооруженным глазом. Во многих приложениях неподвижных изображений недостаточно, и требуется быстрое отображение изображений в реальном времени. Для выполнения анимации в реальном времени необходимы как чрезвычайно эффективные алгоритмы, так и самое современное оборудование. (Дополнительные технические сведения о графических дисплеях см. в см. компьютерную графику.)
Взаимодействие человека с компьютером
Взаимодействие человека с компьютером (HCI) связано с проектированием эффективного взаимодействия между пользователями и компьютерами и созданием интерфейсов, поддерживающих это взаимодействие. HCI происходит на интерфейсе, который включает в себя как программное, так и аппаратное обеспечение. Дизайн пользовательского интерфейса влияет на жизненный цикл программного обеспечения, поэтому он должен выполняться на ранних этапах процесса проектирования.Поскольку пользовательские интерфейсы должны учитывать различные пользовательские стили и возможности, исследования HCI опираются на несколько дисциплин, включая психологию, социологию, антропологию и инженерию. В 1960-х годах пользовательские интерфейсы состояли из компьютерных консолей, которые позволяли оператору напрямую вводить команды, которые можно было выполнить немедленно или в будущем. С появлением более удобных для пользователя персональных компьютеров в 1980-х годах пользовательские интерфейсы стали более сложными, так что пользователь мог «указать и щелкнуть», чтобы отправить команду в операционную систему.
Так возникла область гиперконвергентной инфраструктуры для моделирования, разработки и измерения эффективности различных типов интерфейсов между компьютерным приложением и пользователем, получающим доступ к его службам. Графические интерфейсы позволяют пользователям взаимодействовать с компьютером с помощью таких простых средств, как указание на значок с помощью мыши или прикосновение к нему стилусом или указательным пальцем. Эта технология также поддерживает оконные среды на экране компьютера, что позволяет пользователям одновременно работать с разными приложениями, по одному в каждом окне.
Компьютеры являются ключевой частью нашей повседневной жизни, от машин, которые мы используем для работы, до смартфонов и смарт-часов, на которые мы полагаемся.
Все компьютеры, независимо от их размера, основаны на наборе правил, определяющих, как программное и аппаратное обеспечение объединяются и взаимодействуют друг с другом, чтобы заставить их работать. Это то, что известно как компьютерная архитектура. В этой статье мы собираемся углубиться в то, что на самом деле представляет собой компьютерная архитектура.
Архитектура компьютера — это организация компонентов, составляющих компьютерную систему, и значение операций, определяющих ее функции. Он определяет, что отображается в машинном интерфейсе, на который нацелены языки программирования и их компиляторы.
Три категории компьютерной архитектуры
Существует три категории компьютерной архитектуры, и все они работают вместе, чтобы обеспечить работу машины.
Дизайн системы
Проект системы включает в себя все аппаратные части компьютера, включая процессоры данных, мультипроцессоры, контроллеры памяти и прямой доступ к памяти. Он также включает в себя графический процессор (GPU). Эта часть представляет собой физическую компьютерную систему.
Архитектура набора инструкций (ISA)
Это включает в себя функции и возможности центрального процессора (ЦП). Это встроенный язык программирования, который определяет, какие программы он может выполнять или обрабатывать. Эта часть представляет собой программное обеспечение, обеспечивающее работу компьютера, например операционные системы, такие как Windows на ПК или iOS на Apple iPhone, и включает в себя форматы данных и запрограммированный набор инструкций.
Микроархитектура
Микроархитектура также известна как компьютерная организация и определяет элементы обработки и хранения данных, а также то, как они должны быть реализованы в ISA. Это аппаратная реализация того, как ISA реализована в конкретном процессоре.
Эволюция процессоров
Компьютер со сложным набором команд (CISC) и компьютер с сокращенным набором команд (RISC) — два основных подхода к архитектуре процессора.
Процессоры CISC имеют один процессор, внешнюю память и небольшой набор регистров с сотнями различных инструкций. Эти процессоры имеют одну инструкцию для выполнения задачи и имеют то преимущество, что облегчают работу программиста, поскольку для выполнения работы требуется меньше строк кода. Этот подход использует меньше памяти, но выполнение инструкций может занять больше времени.
Архитектура RISC стала результатом переосмысления, которое привело к разработке высокопроизводительных процессоров. Аппаратное обеспечение максимально простое и быстрое, а сложные инструкции можно выполнять с помощью более простых инструкций.
Микропроцессоры — это цифровые системы, которые считывают и выполняют инструкции машинного языка. Инструкции представлены в символическом формате, называемом языком ассемблера. Это процессоры, реализованные на одной интегральной схеме. В настоящее время широко используются микропроцессоры серии Intel Pentium, IBM PowerPC и Sun SPARC. Почти все современные процессоры представляют собой микропроцессоры, которые часто входят в стандартную комплектацию машин фон Неймана.
Архитектура фон Неймана
Математик Джон фон Нейман и его коллеги предложили архитектуру фон Неймана в 1945 году, согласно которой компьютер состоит из: процессора с арифметико-логическим устройством (АЛУ) и блока управления; блок памяти, который может напрямую связываться с процессором с помощью соединений, называемых шинами; разъемы для устройств ввода/вывода; и дополнительное хранилище для хранения и резервного копирования данных.
Основная вычислительная концепция этой архитектуры заключается в том, что инструкции и данные загружаются в один и тот же блок памяти, который является основной памятью компьютера и состоит из набора адресуемых ячеек. Затем процессор может получить доступ к инструкциям и данным, необходимым для выполнения компьютерной программы, используя выделенные соединения, называемые шинами — адресную шину, которая используется для идентификации адресованного местоположения, и шину данных, которая используется для передачи содержимого в место и из места. .
Плюсы и минусы архитектуры фон Неймана
Компьютеры как физические объекты сильно изменились за 76 лет, прошедших с тех пор, как была предложена архитектура фон Неймана. Суперкомпьютеры в 1940-х годах занимали целую комнату, но имели очень простую функциональность по сравнению с современными умными часами, которые имеют небольшой размер, но имеют значительно более высокую производительность. Однако по своей сути компьютеры изменились очень мало, и почти все компьютеры, созданные с того времени и до настоящего времени, работали практически на одной и той же архитектуре фон Неймана.
Существует ряд причин, по которым архитектура фон Неймана оказалась настолько успешной. Его относительно легко реализовать на аппаратном уровне, а машины фон Неймана детерминированы и интроспективны. Их можно описать математически, и каждый шаг их вычислительного процесса понятен. Вы также можете положиться на то, что они всегда будут генерировать один и тот же результат на одном наборе входных данных.
Самая большая проблема с машинами фон Неймана заключается в том, что их сложно программировать. Это привело к развитию компьютерного программирования, которое берет реальные проблемы и объясняет их машинам фон Неймана.
При написании программы алгоритм сводится к формальным инструкциям, которым может следовать машина фон Неймана. Однако проблема заключается в том, что не все алгоритмы и задачи легко сократить, оставив нерешенные проблемы.
Гарвардская архитектура
Другой популярной компьютерной архитектурой, хотя и менее популярной, чем архитектура фон Неймана, является гарвардская архитектура.
Гарвардская архитектура хранит инструкции и данные в отдельных блоках памяти, и процессор обращается к этим блокам памяти по отдельным шинам. Процессор подключается к «памяти инструкций» с помощью выделенного набора адресных шин и шин данных, а к «памяти данных» — с помощью другого набора адресных шин и шин данных.
Эта архитектура широко используется во встроенных вычислительных системах, таких как системы цифровой обработки сигналов (DSP), и многие микроконтроллерные устройства используют гарвардскую архитектуру.
Поднимите свои знания по компьютерной архитектуре на новый уровень
В Университете Сандерленда мы предлагаем 100 процентный курс онлайн-обучения на степень магистра компьютерных наук, предназначенный для людей, которые не имеют опыта в области компьютерных наук и хотят изменить свой карьерный путь, или для тех, кто хочет использовать знания в области компьютерных наук. в свою текущую область для карьерного роста.
Обучайтесь неполный рабочий день и полностью онлайн и расширяйте свою глобальную сеть, общаясь с коллегами со всего мира. Подайте заявку сегодня и начните через несколько недель, у нас есть шесть дат начала в году.
Компьютерная архитектура состоит из правил и методов или процедур, описывающих реализацию и функциональность компьютерных систем. Архитектура строится в соответствии с потребностями пользователя с учетом экономических и финансовых ограничений. Более ранняя архитектура создавалась на бумаге с аппаратной формой.
После встроенной транзисторно-транзисторной логики архитектура строится, тестируется и оформляется в аппаратном виде. Мы можем определить компьютерную архитектуру на основе ее производительности, эффективности, надежности и стоимости компьютерной системы. Он имеет дело со стандартами программного и аппаратного обеспечения. Компьютерная система имеет процессор, память, устройства ввода-вывода и каналы связи, которые к ней подключаются.
Веб-разработка, языки программирования, тестирование программного обеспечения и другое
Типы компьютерной архитектуры
1. Архитектура фон Неймана
Эта архитектура предложена Джоном фон Нейманом. Сейчас компьютеры, которыми мы пользуемся каждый день, основаны на архитектуре фон Неймана. Он основан на некоторых концепциях.
Память у нас есть одна память для чтения/записи, доступная для чтения и записи инструкций и данных. Когда мы говорим о памяти, это не что иное, как единственное место, которое используется для чтения и записи инструкций для данных, и инструкции также присутствуют в ней. Данные и инструкции хранятся в единой памяти чтения/записи внутри компьютерной системы.
Каждая память имеет несколько местоположений, и каждое место имеет уникальный адрес.Мы можем обращаться к содержимому памяти по его расположению независимо от того, какой тип данных и инструкций присутствует в памяти, благодаря чему мы можем читать или записывать любые данные и инструкции. Выполнение всегда происходит последовательно, если изменение не требуется. Например, предположим, что мы выполняем инструкцию со строки 1 по строку 10, но теперь нам нужно выполнить строку 50 вместо строки 11, тогда мы переходим к инструкции 50 и выполняем ее.
Существует шина (адресная шина/шина данных/шина управления), используемая для выполнения инструкций и кода данных. Устройство ввода принимает данные или инструкции, а центральный процессор (ЦП) выполняет одну операцию за раз, либо извлекая данные, либо вводя/извлекая инструкции из памяти. После завершения операции она отправляется на устройство вывода. Блоки управления и логики для обработки операций находятся внутри центрального процессора.
Все в одном пакете для разработки программного обеспечения (600+ курсов, 50+ проектов) 600+ онлайн-курсов | 3000+ часов | Поддающиеся проверке сертификаты | Пожизненный доступ
4,6 (3144 оценки)
2. Гарвардская архитектура
Модифицированная гарвардская архитектура похожа на машину с гарвардской архитектурой и имеет общее адресное пространство для отдельного кэша данных и инструкций. Он имеет цифровые сигнальные процессоры, которые будут выполнять небольшие или сложные аудио- или видеоалгоритмы, и он воспроизводим. Микроконтроллеры имеют небольшое количество памяти программ и данных, что ускоряет обработку за счет параллельного выполнения инструкций и доступа к данным.
На изображении ниже мы можем видеть, что есть отдельные данные и память инструкций, которая является шиной, доступной для выполнения операций. Он полностью содержится в центральном процессоре. Он может выполнять операции ввода/вывода одновременно и имеет отдельный арифметический и логический блок.
3. Архитектура набора инструкций
Чтобы составить архитектуру, необходима архитектура набора инструкций, поскольку она содержит набор инструкций, понятных процессору. Он имеет два набора инструкций: один — RISC (компьютер с сокращенным набором инструкций), а второй — CISC (компьютер со сложным набором инструкций).
Компьютерная архитектура с сокращенным набором команд была реализована в 90-х годах компанией IBM. Инструкция имеет несколько адресных режимов, но программы не используют их все, поэтому количество адресных режимов сократилось. Это помогает компилятору легко писать инструкции, выполняемые в увеличенном виде.
Сложная архитектура набора инструкций лежит в основе компиляторов, поскольку более ранние компиляторы не предназначались для написания программ, поэтому для облегчения программирования были добавлены инструкции. Наилучшая производительность достигается при использовании простых инструкций от ISA.
4. Микроархитектура
Микроархитектура известна как компьютерная организация, и это способ, когда архитектура набора инструкций представляет собой встроенный процессор. Архитектура набора инструкций реализуется с помощью различных микроархитектур и меняется в зависимости от меняющихся технологий.
Микроархитектура работает определенным образом. Он читает инструкцию и декодирует ее, находит параллельные данные для обработки инструкции, а затем обрабатывает инструкцию и генерирует выходные данные.
Применяется в микропроцессорах, микроконтроллерах. Некоторые архитектуры перекрывают несколько инструкций во время выполнения, но в микроархитектуре этого не происходит. Необходимы исполнительные блоки, такие как арифметико-логические блоки, блоки с плавающей запятой, блоки загрузки и т. Д., И они выполняют работу процессора. В системе есть решения микроархитектуры, такие как размер, задержка и возможность подключения памяти.
5. Дизайн системы
Название определяет само себя, дизайн удовлетворит требования пользователя, такие как архитектура, модуль, интерфейсы и данные для системы, и это связано с разработкой продукта. Это процесс получения маркетинговой информации и создания дизайна продукта для производства. Модульные системы создаются путем стандартизации аппаратного и программного обеспечения.
Заключение
Мы узнали об архитектуре компьютера и ее типах. Как работает функциональность, реализация в процессинге. Архитектура набора инструкций необходима для выполнения необходимых инструкций, а обработка данных должна выполняться в разных и одном месте памяти в разных типах компьютерных архитектур. Выполняются операции чтения/записи.
Рекомендуемые статьи
Это руководство по типам компьютерной архитектуры. Здесь мы подробно обсудим основную концепцию и различные типы компьютерной архитектуры.Вы также можете ознакомиться со следующими статьями, чтобы узнать больше –
Компьютеры являются ключевой частью нашей повседневной жизни, от машин, которые мы используем для работы, до смартфонов и смарт-часов, на которые мы полагаемся.
Все компьютеры, независимо от их размера, основаны на наборе правил, определяющих, как программное и аппаратное обеспечение объединяются и взаимодействуют друг с другом, чтобы заставить их работать. Это то, что известно как компьютерная архитектура. В этой статье мы собираемся углубиться в то, что на самом деле представляет собой компьютерная архитектура.
Архитектура компьютера — это организация компонентов, составляющих компьютерную систему, и значение операций, определяющих ее функции. Он определяет, что отображается в машинном интерфейсе, на который нацелены языки программирования и их компиляторы.
Три категории компьютерной архитектуры
Существует три категории компьютерной архитектуры, и все они работают вместе, чтобы обеспечить работу машины.
Дизайн системы
Проект системы включает в себя все аппаратные части компьютера, включая процессоры данных, мультипроцессоры, контроллеры памяти и прямой доступ к памяти. Он также включает в себя графический процессор (GPU). Эта часть представляет собой физическую компьютерную систему.
Архитектура набора инструкций (ISA)
Это включает в себя функции и возможности центрального процессора (ЦП). Это встроенный язык программирования, который определяет, какие программы он может выполнять или обрабатывать. Эта часть представляет собой программное обеспечение, обеспечивающее работу компьютера, например операционные системы, такие как Windows на ПК или iOS на Apple iPhone, и включает в себя форматы данных и запрограммированный набор инструкций.
Микроархитектура
Микроархитектура также известна как компьютерная организация и определяет элементы обработки и хранения данных, а также то, как они должны быть реализованы в ISA. Это аппаратная реализация того, как ISA реализована в конкретном процессоре.
Эволюция процессоров
Компьютер со сложным набором команд (CISC) и компьютер с сокращенным набором команд (RISC) — два основных подхода к архитектуре процессора.
Процессоры CISC имеют один процессор, внешнюю память и небольшой набор регистров с сотнями различных инструкций. Эти процессоры имеют одну инструкцию для выполнения задачи и имеют то преимущество, что облегчают работу программиста, поскольку для выполнения работы требуется меньше строк кода. Этот подход использует меньше памяти, но выполнение инструкций может занять больше времени.
Архитектура RISC стала результатом переосмысления, которое привело к разработке высокопроизводительных процессоров. Аппаратное обеспечение максимально простое и быстрое, а сложные инструкции можно выполнять с помощью более простых инструкций.
Микропроцессоры — это цифровые системы, которые считывают и выполняют инструкции машинного языка. Инструкции представлены в символическом формате, называемом языком ассемблера. Это процессоры, реализованные на одной интегральной схеме. В настоящее время широко используются микропроцессоры серии Intel Pentium, IBM PowerPC и Sun SPARC. Почти все современные процессоры представляют собой микропроцессоры, которые часто входят в стандартную комплектацию машин фон Неймана.
Архитектура фон Неймана
Математик Джон фон Нейман и его коллеги предложили архитектуру фон Неймана в 1945 году, согласно которой компьютер состоит из: процессора с арифметико-логическим устройством (АЛУ) и блока управления; блок памяти, который может напрямую связываться с процессором с помощью соединений, называемых шинами; разъемы для устройств ввода/вывода; и дополнительное хранилище для хранения и резервного копирования данных.
Основная вычислительная концепция этой архитектуры заключается в том, что инструкции и данные загружаются в один и тот же блок памяти, который является основной памятью компьютера и состоит из набора адресуемых ячеек. Затем процессор может получить доступ к инструкциям и данным, необходимым для выполнения компьютерной программы, используя выделенные соединения, называемые шинами — адресную шину, которая используется для идентификации адресованного местоположения, и шину данных, которая используется для передачи содержимого в место и из места. .
Плюсы и минусы архитектуры фон Неймана
Компьютеры как физические объекты сильно изменились за 76 лет, прошедших с тех пор, как была предложена архитектура фон Неймана. Суперкомпьютеры в 1940-х годах занимали целую комнату, но имели очень простую функциональность по сравнению с современными умными часами, которые имеют небольшой размер, но имеют значительно более высокую производительность.Однако по своей сути компьютеры изменились очень мало, и почти все компьютеры, созданные с того времени и до настоящего времени, работали практически на одной и той же архитектуре фон Неймана.
Существует ряд причин, по которым архитектура фон Неймана оказалась настолько успешной. Его относительно легко реализовать на аппаратном уровне, а машины фон Неймана детерминированы и интроспективны. Их можно описать математически, и каждый шаг их вычислительного процесса понятен. Вы также можете положиться на то, что они всегда будут генерировать один и тот же результат на одном наборе входных данных.
Самая большая проблема с машинами фон Неймана заключается в том, что их сложно программировать. Это привело к развитию компьютерного программирования, которое берет реальные проблемы и объясняет их машинам фон Неймана.
При написании программы алгоритм сводится к формальным инструкциям, которым может следовать машина фон Неймана. Однако проблема заключается в том, что не все алгоритмы и задачи легко сократить, оставив нерешенные проблемы.
Гарвардская архитектура
Другой популярной компьютерной архитектурой, хотя и менее популярной, чем архитектура фон Неймана, является гарвардская архитектура.
Гарвардская архитектура хранит инструкции и данные в отдельных блоках памяти, и процессор обращается к этим блокам памяти по отдельным шинам. Процессор подключается к «памяти инструкций» с помощью выделенного набора адресных шин и шин данных, а к «памяти данных» — с помощью другого набора адресных шин и шин данных.
Эта архитектура широко используется во встроенных вычислительных системах, таких как системы цифровой обработки сигналов (DSP), и многие микроконтроллерные устройства используют гарвардскую архитектуру.
Поднимите свои знания по компьютерной архитектуре на новый уровень
В Университете Сандерленда мы предлагаем 100 процентный курс онлайн-обучения на степень магистра компьютерных наук, предназначенный для людей, которые не имеют опыта в области компьютерных наук и хотят изменить свой карьерный путь, или для тех, кто хочет использовать знания в области компьютерных наук. в свою текущую область для карьерного роста.
Обучайтесь неполный рабочий день и полностью онлайн и расширяйте свою глобальную сеть, общаясь с коллегами со всего мира. Подайте заявку сегодня и начните через несколько недель, у нас есть шесть дат начала в году.
Читайте также: