Архитекту́ра компью́тера — модель компьютерной системы, воплощённая в её компонентах, их взаимодействии между собой и окружением, включающая также принципы её проектирования и развития. Аспекты реализации (например, технология, используемые при создании памяти) не являются частью архитектурыТаненбаум Э. С. Архитектура компьютера. — СПб: Питер, 2007, ISBN 5-469-01274-3, C.23

Уровни организации Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней:Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. СПб.: Питер, 2003, ISBN 5-318-00298-6 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, ы. Уровень 4 Уровень языка ассемблера, трансляция (компилятор). Четвёртый 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 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. Два других ранних и значимых примера: Статья Джона фон Неймана 1945 года — первый проект отчёта 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 отчёт 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.

Классификация

По типу применяемого процессора CISC () — 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 () — 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 () — вид процессорной архитектуры, предполагающий использование максимально простой системы команд с укладкой нескольких команд в одно большое слово (связку, bound) и стековую организацию; VLIW ( — «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

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