Архітектура комп'ютера

Архітекту́ра комп’ю́тера ― сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних компонентів та їхні характеристики, що визначають логічну структуру та функціональні можливості комп’ютера в процесі розв’язування завдань відповідних класів.

Загальні відомості

До архітектури комп’ютера належать також такі поняття: структурна схема комп’ютера (відображає склад компонентів комп’ютера та зв’язки між ними); засоби й способи доступу до елементів структурної схеми; організація та розрядність інтерфейсів комп’ютера; набір і доступність регістрів; організація пам’яті й способи її адресації; набір і формат машинних команд процесора; способи подання й формати даних, правила обробляння.

Історична довідка

Поняття архітектури комп’ютера вперше введено на початку 1960-х під час проектування серії електронних обчислювальних машин (ЕОМ) «Ай-Бі-Ем Систем/360» (IBM System/360 або S/360), серії універсальних ЕОМ загального призначення з різною швидкодією та конструктивними особливостями. Однак усі вони були програмно сумісними. Така сумісність означала можливість виконання програми без їхнього додаткового адаптування до різних моделей серії та була революційною, адже на той час практично всі ЕОМ випускали з унікальною архітектурою. Спеціалісти фірми Ай-Бі-Ем (англ. IBM, абревіатура від International Business Machines — один з найбільших світових виробників усіх видів комп’ютерів і програмного забезпечення) у процесі створення S/360 створили єдину архітектуру для всіх машин серії, але реалізували її в кожній машині по-різному.

Для уніфікування й спрощення завдань керування й обслуговування комп’ютера його апаратні й програмні засоби компонують у вигляді модулів. Спільність архітектури різних комп’ютерів забезпечує їхню сумісність з погляду користувача. Архітектура комп’ютера впливає на його обчислювальні й логічні можливості, продуктивність обчислень, застосування програмного забезпечення та операційних систем, принципи керування, режими роботи, особливості структури (одно-, багатопроцесорна), сферу його застосування тощо.

На відміну від архітектури комп’ютера, його структура є сукупністю функціональних елементів та зв’язків між ними. Елементами комп’ютера можуть бути його складники ― від основних логічних вузлів (центральний мікропроцесор, оперативна пам’ять, контролери периферійних пристроїв, відеокарта, аудіокарта тощо) до найпростіших схем. Узагальнену структуру комп’ютера можна зобразити у вигляді структурних схем його функціональних елементів з будь-яким рівнем деталізації.

Класифікація

В основу архітектури персонального комп’ютера покладено класичну однопроцесорну архітектуру фон Нейманна, у якій програми та дані зберігають спільно в пам’яті комп’ютера. Усі функціональні блоки тут зв’язані між собою загальною шиною (системною магістраллю). На противагу архітектурі фон Нейманна, т. з. гарвардська архітектура допускає роздільне зберігання в пам’яті програм і даних.

Для створення спеціалізованих високопродуктивних комп’ютерів використовують багатопроцесорні архітектури з паралельною обробкою потоків даних і команд. Згідно з найвідомішою класифікацією М. Флінна (нар. 1934, США) багатопроцесорні архітектури комп’ютерів поділяють на чотири класи: SІSD, MІSD, SІMD, MІMD. Класифікація базується на понятті потоку, під яким розуміють послідовність елементів, команд або даних, оброблюваних процесором.

SІSD (Sіngle Instructіon Stream / Sіngle Data Stream) — одиночний потік команд і одиночний потік даних. До цього класу відносять, насамперед, класичні послідовні машини або, інакше, машини фон-нейманівського типу.

SІMD (Sіngle Instructіon Stream / Multіple Data Stream) — одиночний потік команд і множинний потік даних. У таких архітектурах зберігається один потік команд, що включає, на відміну від попереднього класу, векторні команди. Це дає змогу виконувати одну арифметичну операцію відразу над багатьма даними — елементами вектора.

MІSD (Multіple Instructіon Stream / Sіngle Data Stream) — множинний потік команд і одиночний потік даних. Ця архітектура передбачає наявність багатьох процесорів.

MІMD (Multіple Instructіon Stream / Multіple Data Stream) — множинний потік команд і множинний потік даних. Цей клас допускає, що в обчислювальній системі є декілька об’єднаних у комплекс пристроїв обробки команд, кожен з яких працює зі своїм потоком команд і даних. Архітектура комп’ютера охоплює широке коло проблем, пов’язаних з побудовою комплексу апаратних і програмних засобів, з урахуванням множини факторів. Серед них найважливішими є: вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність експлуатування, продуктивність.

Основні компоненти архітектури комп’ютера

Обчислювальні та логічні можливості Апаратні засоби Програмне забезпечення
Система команд
Формати даних
Основа числення
Швидкодія
Структура комп’ютера
Організація пам’яті
Організація введення/виведення даних
Принципи керування
Операційна система
Мови програмування
Прикладне програмне забезпечення

Тип комп’ютера залежить від обмежень та цілей.

Архітектуру комп’ютера оцінюють за такими критеріями:

  • потужність;
  • продуктивність;
  • вартість;
  • об’єм пам’яті;
  • затримка (інтервал часу від моменту запиту даних до отримання перших бітів).

Інколи враховують інші фактори: розмір, масу, надійність та можливість розширення. Інтероперабельність архітектури різних комп’ютерів забезпечує їхню сумісність з погляду користувача.

Продуктивність залежить від багатьох рішень — наприклад, конвеєрний процесор та тактова частота зменшують затримку, застосування кеш-пам’яті (див. кеш) та використання технології передбачення розгалужень в алгоритмах також пришвидшує обробляння даних.

Додатково

Див. також Архітектура фон Нейманна, Апаратне забезпечення обробки інформації.

Джерела

  • ДСТУ ISO/IEC 2382:2018 Інформаційні технології. Словник. Видавництво УкрНДНЦ, 2018

Література

  1. Joseph D. Dumas II. Computer Architecture: Fundamentals and Principles of Computer Design. CRC Press, 2005.
  2. Мельник А. О. Архітектура комп’ютера. Луцьк: Волинська обласна друкарня, 2008. 470 с.
  3. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК, 19-е издание, Киев.: Вильямс, 2011. 1072 с.
  4. Харрис Д., Харрис C. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера, Москва : ДМК Пресс, 2017. 772с.

Автор ВУЕ

А. Я. Гладун


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Гладун А. Я. Архітектура комп'ютера // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Архітектура комп'ютера (дата звернення: 7.12.2021).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
23.11.2021

Офіційний телеграм-канал ВУЕОфіційний телеграм-канал ВУЕ