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. Аспекты реализации (например, технология, применяемая при реализации памяти) не являются частью архитектуры

Уровни организации 
Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней:
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

История 

Первая документально оформленная компьютерная архитектура находилась в переписке между Чарльзом Бэббиджем и Адой Лавлейс, описывающим механизм анализа. При создании компьютера Z1 в 1936 году Конрад Цузе описал в двух патентных заявках свои будущие проекты. Два других ранних и важных примера:

Статья Джона фон Неймана 1945 года, первый проект отчета об EDVAC, в котором описана организация логических элементов;

Более подробный Предложенный Электронный Калькулятор Алана Тьюринга для Автоматического Вычислительного Двигателя, также в 1945 году, который привел статью Джона фон Неймана.

Термин «архитектура» в компьютерной литературе можно проследить до работы Лайла Р. Джонсона, Фридриха П. Брукса-младшего и Мохаммада Усмана-хана. Все они были членами отдела машинной организации, в основном исследовательском центре IBM в 1959 году. У Джонсона была возможность написать собственное исследовательское сообщение о суперкомпьютере Stretch, разработанном IBM в Лос-Аламосской национальной лаборатории (в то время известном как Лос-Аламос Научная лаборатория). Чтобы описать уровень детализации для обсуждения роскошно украшенного компьютера, он отметил, что его описание форматов, типов команд, аппаратных параметров и улучшений скорости было на уровне «системной архитектуры» — термин, который казался более полезным, чем «машинная организация».

Впоследствии Брукс, дизайнер стретч, начал главу второй книги («Планирование компьютерной системы: проект Stretch», изд., W. Buchholz, 1962), написав:"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 помогать в разработке линейки компьютеров IBM System / 360 (теперь называемой IBM zSeries), в которой «архитектура» стала существительным, определяющим «то, что пользователь должен знать».

Самые ранние компьютерные архитектуры были разработаны на бумаге, а затем непосредственно встроены в окончательную аппаратную форму. Позже прототипы компьютерной архитектуры были физически построены в виде транзисторно-транзисторной логической системы (TTL), такой как прототипы 6800 и испытанного PA-RISC, и исправлены, прежде чем перейти к окончательной аппаратной форме. Начиная с 1990-х годов новые компьютерные архитектуры обычно «строятся», тестируются и настраиваются внутри какой-либо другой компьютерной архитектуры в симуляторе компьютерной архитектуры; или внутри ПЛИС в качестве мягкого микропроцессора; Или оба — перед тем, как совершить окончательную аппаратную форму.

Классификация

По типу применяемого процессора 
 CISC (англ. complex instruction set computing) — архитектура с полным набором команд. Такие процессоры выполняют все команды, простые и сложные, за большое количество тактов. Команд в таких процессорах много, и компиляторы верхнего уровня редко используют все команды
 RISC (англ. reduced instruction set computing) — архитектура с сокращённым набором команд. Такие процессоры, в целом, работают быстрее, чем с CISC-архитектурой, за счёт упрощения архитектуры и сокращения количества команд, но для выполнения сложной команды она составляется из набора простых, что увеличивает время выполнения команды (за большее количество тактов). Современные процессоры RISC по внутренней сложности приближаются, а то и превосходят классические CISC аналоги
 MISC (англ. minimal instruction set computing) — архитектура с минимальным набором команд. Такие процессоры имеют минимальное количество команд, все команды простые и требуют небольшого количества тактов на выполнение, но если выполняются сложные вычисления, например, с числами с плавающей запятой, то такие команды выполняются за существенно большее количество тактов, превышающее CISC- и RISC-архитектуры
 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

По принципу разделения памяти 
 Гарвардская архитектура — характерной чертой является разделение памяти программ и памяти данных
 Фон Неймановская архитектура — характерной чертой является совместное хранение программ и данных

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

Примечания

Литература 
 
 
 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