Számítógép architektúra

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. február 17-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 8 szerkesztést igényelnek .

A számítógép-architektúra egy számítógépes rendszer  fogalmi modellje , amely összetevőiben, azok egymással és a környezettel való interakciójában testesül meg, beleértve a tervezési és fejlesztési elveket [1] [2] . Az implementációs szempontok (például a memória megvalósításához használt technológia ) nem részei az architektúrának [3] .

Szervezeti szintek

A számítógép-szervezésnek (számítógép-architektúrának) több szintje van, kettő vagy több: [3]

0. szint A digitális logikai szint a gép hardvere , amely kapukból áll . Lásd még: Logikai elemek (reteszek), flip- flopok , regiszterek . 1. szint Mikroarchitektúra szint, értelmezés (firmware) vagy közvetlen végrehajtás. Az elektronikus áramkörök gépfüggő programokat hajtanak végre. A processzorregiszterek halmaza alkotja a helyi memóriát. Lásd még: aritmetikai logikai egység , vezérlőegység . Feladata a 2. szintű (Command Architecture) parancsok értelmezése. Jelenleg az utasításarchitektúra szintjén általában egyszerű utasítások vannak, amelyek egy ciklusban hajtódnak végre (például RISC gépek). 2. szint Parancsrendszer architektúra szintje , fordítás ( assembler ). 3. szint Operációs rendszer szintje , fordítás (assembler). Ez egy hibrid szint: a parancsok egyik részét az operációs rendszer, a másik részét a firmware értelmezi. Lásd még: virtuális memória , fájlok . 4. szint Assembly nyelvi szint, fordítás ( fordító ). A negyedik vagy annál magasabb szintet az elsőtől a harmadik rendszerű programok írására használják . Az emberbarát formájú programokat lefordítják az 1-3. szintű nyelvre. 5. szint Magas szintű nyelv . A magas szintű nyelvű programokat általában 3. és 4. szintre fordítják .

Történelem

Az első dokumentált számítógép-architektúra Charles Babbage és Ada Lovelace levelezésében volt , leírva az elemzés motorját. A Z1 számítógép 1936-os létrehozásakor Konrad Zuse két szabadalmi bejelentésben írta le jövőbeli projektjeit. [4] Két másik korai és fontos példa:

John von Neumann 1945-ös tanulmánya , egy EDVAC - jelentés első tervezete , amely a logikai kapuk szervezetét írta le;

Részletesebb Proposed Electronic Calculator for an Automatic Computing Engine, Alan Turing , szintén 1945-ben, John von Neumann cikkére hivatkozva.

Az "architektúra" kifejezés a számítógépes irodalomban Lyle R. Johnson, Friedrich P. Brooks, Jr. és Mohammad Usman Khan munkáira vezethető vissza. Mindannyian az IBM fő kutatóközpontjának gépszervezési osztályának tagjai voltak 1959-ben. Johnsonnak lehetősége nyílt saját kutatási tanulmányának megírására az IBM által a Los Alamos National Laboratory- ban (akkori nevén Los Alamos Science Laboratory) kifejlesztett Stretch szuperszámítógépről. A pompásan díszített számítógépek megvitatásának részletességéhez megjegyezte, hogy a formátumokról, az utasítástípusokról, a hardveropciókról és a sebességfejlesztésekről szóló leírása a „rendszerarchitektúra” szintjén található – ez a kifejezés hasznosabbnak tűnt, mint a „gépszervezés” ."

Ezt követően Brooks, a nyújtás tervezője a második könyv (Designing a Computer System: The Stretch Project, szerk., W. Buchholz, 1962) egy fejezetét a következő írással kezdte:

"A számítógép-architektúra, akárcsak az architektúra, az a művészet, hogy azonosítsák a szerkezet használóinak igényeit, majd megtervezzék, hogy a legjobban megfeleljenek ezeknek az igényeknek a gazdasági és technológiai korlátokon belül."

Brooks tovább segítette az IBM System/360 (jelenleg IBM zSeries néven) számítógépcsalád fejlesztését, amelyben az "architektúra" a "mit a felhasználónak tudnia kell" főnévvé vált. [5]

A legkorábbi számítógép-architektúrákat papírra tervezték, majd közvetlenül beépítették a végső hardverformába. A későbbi számítógép-architektúra prototípusait fizikailag tranzisztor-tranzisztor logikai (TTL) rendszerként építették fel, mint például a 6800-at és a kipróbált PA-RISC prototípusokat, és kijavították, mielőtt a végső hardverformába kerültek. Az 1990-es évektől kezdődően az új számítógép-architektúrákat jellemzően valamilyen más számítógép-architektúrán belül „építik”, tesztelik és hangolják egy számítógépes architektúra szimulátorban; vagy az FPGA belsejében lágy mikroprocesszorként; Vagy mindkettő – a végső hardverforma elkészítése előtt. [6]

Osztályozás

A használt processzor típusa szerint

• A CISC ( összetett utasításkészlet számítástechnika) parancsok teljes készletével rendelkező architektúra. Az ilyen processzorok az összes egyszerű és összetett utasítást számos ciklusban hajtják végre. Az ilyen processzorokban sok utasítás található, és a legfelső szintű fordítók ritkán használják az összes utasítást.
• RISC (eng. csökkentett utasításkészlet számítástechnika ) - architektúra csökkentett utasításkészlettel. Az ilyen processzorok általában gyorsabban működnek, mint a CISC-architektúra, az architektúra egyszerűsítése és az utasítások számának csökkentése miatt, de egy összetett utasítás végrehajtásához egyszerűek halmazából áll, ami növeli a végrehajtást. az utasítás ideje (több ciklus esetén). Érdemes megjegyezni, hogy a modern RISC processzorok belső komplexitásukat tekintve megközelítik, sőt felülmúlják a klasszikus CISC-társaikat.
• MISC (eng. minimal instruction set computing ) - architektúra minimális parancskészlettel. Az ilyen processzorok minimális számú utasítást tartalmaznak, minden utasítás egyszerű és kis számú ciklust igényel a végrehajtáshoz, de ha összetett számításokat hajtanak végre, például lebegőpontos számokkal, akkor az ilyen utasítások lényegesen több ciklusban hajtódnak végre. , amely meghaladja a CISC és RISC architektúrákat.
• A VLIW (angolul  nagyon hosszú utasítás szó  - „very long machine instruction”) egy hosszú gépi utasítással rendelkező architektúra, amely a számítások párhuzamos végrehajtását jelzi. Az ilyen processzorok széles körben elterjedtek a digitális jelfeldolgozásban .

A memóriamegosztás elve szerint

• Harvard architektúra - jellegzetes vonása a programmemória és az adatmemória szétválasztása.
• Von Neumann architektúra - jellemző a programok és adatok közös tárolása.

Lásd még

• Logikai elemek
• Kioldó
• Regisztráció (digitális technológia)
• Aritmetikai logikai egység (ALU)
• Virtuális memória
• Fájl
• Digitális jelfeldolgozó processzor
• processzor

Jegyzetek

1. ↑ IEEE 1471 . Letöltve: 2022. február 12. Az eredetiből archiválva : 2022. február 12. (határozatlan)
2. ↑ Maksimov, 2005 , p. 97.
3. ↑ 1 2 Tanenbaum E. S. Számítógép-architektúra. - Szentpétervár: Péter, 2007, ISBN 5-469-01274-3 , C.23
4. ↑ A Manchester Baby Computer 50. évfordulója . curation.cs.manchester.ac.uk. Letöltve: 2017. június 3. Az eredetiből archiválva : 2012. május 4. (határozatlan)
5. ↑ IBM100 - System  360 . www-03.ibm.com (2012. március 7.). Letöltve: 2017. június 3. Az eredetiből archiválva : 2017. május 30.
6. ↑ Számítógépes rendszerek felépítése: Bevezetés, Absztrakciók, Technológia . www.cise.ufl.edu. Letöltve: 2017. június 3. Az eredetiből archiválva : 2016. október 31.. (határozatlan)

Irodalom

• Joseph D. Dumas II. Számítógép-architektúra: A számítógépes tervezés alapjai és elvei. - CRC Press, 2005. - ISBN 978-0-8493-2749-0 .
• David A. Patterson , John L. Hennessy . Számítógép-architektúra: kvantitatív megközelítés, 5. kiadás . - Morgan Kaufmann, 2011. - 856 p. — ISBN 012383872X .  (Angol)
• David Harris, Sarah Harris. Digital Circuitry and Computer Architecture, 2. kiadás, oroszországi, ukrajnai, egyesült államokbeli és egyesült királyságbeli vállalatok és egyetemek csapata fordította, Morgan Kaufman, 2013
• Tanenbaum E., Austin T. Számítógép architektúra. 6. kiadás Szentpétervár: Piter, 2014, ISBN 978-5-496-00337-7
• N. V. Maksimov, T. L. Partyka, I. I. Popov. Számítógépek és számítástechnikai rendszerek felépítése. - M . : Fórum - Infra-M, 2005. - 512 p. - ISBN 5-8199-0160-6 .

Szótárak és enciklopédiák	nagy kínai Nagy orosz Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4048717-9 J9U : 987007545778705171 LCCN : sh85029479 NKC : ph124502