Tietokonearkkitehtuuri

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 17. helmikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 8 muokkausta .

Tietokonearkkitehtuuri  on käsitteellinen malli tietokonejärjestelmästä, joka sisältyy sen komponentteihin, niiden vuorovaikutukseen keskenään ja ympäristöön, mukaan lukien sen suunnittelun ja kehittämisen periaatteet [1] [2] . Toteutusnäkökohdat (kuten muistin toteuttamiseen käytetty tekniikka ) eivät ole osa arkkitehtuuria [3] .

Organisaatiotasot

Tietokoneen organisaatiotasoja (tietokonearkkitehtuuria) on useita kahdesta tai useammasta: [3]

Taso 0 Digitaalinen logiikkataso on koneen laitteisto , joka koostuu porteista . Katso myös Logiikkaelementit (salvat), varvastossut , rekisterit . Taso 1 Mikroarkkitehtuuritaso , tulkinta (firmware) tai suora toteutus. Elektroniset piirit suorittavat koneriippuvaisia ​​ohjelmia. Prosessorirekisterien joukko muodostaa paikallisen muistin. Katso myös aritmeettinen logiikkayksikkö , ohjausyksikkö . Sen tehtävänä on tulkita tason 2 (Command Architecture) komentoja. Tällä hetkellä käskyarkkitehtuuritasolla on yleensä yksinkertaisia ​​käskyjä, jotka suoritetaan yhdessä syklissä (kuten erityisesti RISC-koneet). Taso 2 Komentojärjestelmän arkkitehtuurin taso , käännös ( asentaja ). Taso 3 Käyttöjärjestelmän taso , käännös (assembler). Tämä on hybriditaso: yhden osan komennoista tulkitsee käyttöjärjestelmä ja toisen osan laiteohjelmisto. Katso myös virtuaalimuisti , tiedostot . Taso 4 Assembly-kielitaso, käännös ( kääntäjä ). Neljännellä ja sitä korkeammalla tasolla kirjoitetaan sovellusohjelmia ensimmäisestä kolmanteen järjestelmäohjelmiin . Ihmisystävällisessä muodossa olevat ohjelmat käännetään tasojen 1-3 kielelle. Taso 5 Korkean tason kieli . Korkean tason kielten ohjelmat käännetään yleensä tasoille 3 ja 4.

Historia

Ensimmäinen dokumentoitu tietokonearkkitehtuuri oli Charles Babbagen ja Ada Lovelacen kirjeenvaihdossa , jossa kuvattiin analyysin moottori. Luodessaan Z1-tietokonetta vuonna 1936 Konrad Zuse kuvaili tulevia projektejaan kahdessa patenttihakemuksessa. [4] Kaksi muuta varhaista ja tärkeää esimerkkiä:

John von Neumannin vuoden 1945 paperi , ensimmäinen luonnos EDVAC - raportista , joka kuvasi logiikkaporttien organisaatiota;

Yksityiskohtaisempi ehdotettu elektroninen laskin Alan Turingilta automaattista laskentakonetta varten, myös vuonna 1945, joka lainasi John von Neumannin artikkelia.

Termi "arkkitehtuuri" tietokonekirjallisuudessa voidaan jäljittää Lyle R. Johnsonin, Friedrich P. Brooks, Jr.:n ja Mohammad Usman Khanin töihin. He olivat kaikki koneorganisaatioosaston jäseniä IBM:n päätutkimuskeskuksessa vuonna 1959. Johnsonilla oli tilaisuus kirjoittaa oman tutkimuspaperinsa Stretch-supertietokoneesta, jonka IBM oli kehittänyt Los Alamos National Laboratoryssa (tunnetaan silloin nimellä Los Alamos Science Laboratory). Kuvatakseen ylellisesti sisustetusta tietokoneesta puhumisen yksityiskohtaisuutta hän totesi, että hänen kuvauksensa formaateista, ohjetyypeistä, laitteistovaihtoehdoista ja nopeuden parannuksista oli "järjestelmäarkkitehtuurin" tasolla – termi, joka vaikutti hyödylliseltä kuin "koneorganisaatio". ."

Myöhemmin Brooks, venytyksen suunnittelija, aloitti luvun toisessa kirjassa (Designing a Computer System: The Stretch Project, toim., W. Buchholz, 1962) kirjoittamalla:

"Tietokonearkkitehtuuri, kuten arkkitehtuuri, on taidetta tunnistaa rakenteen käyttäjän tarpeet ja sitten suunnitella vastaamaan parhaiten näihin tarpeisiin taloudellisten ja teknisten rajoitusten puitteissa."

Brooks auttoi kehittämään IBM System/360 (nykyään IBM zSeries) -tietokonesarjaa, jossa "arkkitehtuurista" tuli substantiivi "mitä käyttäjän tulee tietää". [5]

Varhaisimmat tietokonearkkitehtuurit suunniteltiin paperille ja rakennettiin sitten suoraan lopulliseen laitteistomuotoon. Myöhemmät tietokonearkkitehtuurin prototyypit rakennettiin fyysisesti transistori-transistorilogiikka (TTL) -järjestelmänä, kuten 6800 ja testatut PA-RISC-prototyypit, ja korjattiin ennen siirtymistä lopulliseen laitteistomuotoon. 1990-luvulta alkaen uusia tietokonearkkitehtuureja tyypillisesti "rakennettu", testattu ja viritetty jonkin muun tietokonearkkitehtuurin sisällä tietokonearkkitehtuurisimulaattorissa; tai FPGA:n sisällä pehmeänä mikroprosessorina; Tai molemmat - ennen lopullisen laitteistomuodon tekemistä. [6]

Luokitus

Käytetyn prosessorin tyypin mukaan

• CISC ( kompleksinen käskysarjalaskenta) on arkkitehtuuri, jossa on täydellinen joukko ohjeita. Tällaiset prosessorit suorittavat kaikki käskyt, yksinkertaiset ja monimutkaiset, useissa sykleissä. Tällaisissa prosessoreissa on monia ohjeita, ja huipputason kääntäjät käyttävät harvoin kaikkia ohjeita.
• RISC (eng. deduced instruction set computing ) - arkkitehtuuri, jossa on rajoitettu määrä komentoja. Tällaiset prosessorit toimivat yleensä nopeammin kuin CISC-arkkitehtuuri, johtuen arkkitehtuurin yksinkertaistamisesta ja käskyjen määrän vähentämisestä, mutta monimutkaisen käskyn suorittamiseksi se koostuu joukosta yksinkertaisia, mikä lisää suoritusta. ohjeen aika (enemmän jaksoja varten). On syytä huomata, että nykyaikaiset RISC-prosessorit lähestyvät tai jopa ylittävät klassisia CISC-vastineita sisäisen monimutkaisuuden suhteen.
• MISC (eng. minimal instruction set computing ) - arkkitehtuuri, jossa on vähimmäismäärä käskyjä. Tällaisissa prosessoreissa on minimimäärä käskyjä, kaikki käskyt ovat yksinkertaisia ​​ja vaativat pienen määrän syklejä suorittaakseen, mutta jos suoritetaan monimutkaisia ​​laskelmia esimerkiksi liukulukuilla, niin tällaiset käskyt suoritetaan huomattavasti suuremmassa jaksomäärässä ylittää CISC- ja RISC-arkkitehtuurit.
• VLIW (englanniksi  very long instruction word  - “very long machine instruction”) on arkkitehtuuri, jossa on pitkä konekäsky, joka ilmaisee laskutoimitusten rinnakkaissuorittamisen. Tällaiset prosessorit ovat löytäneet laajan käytön digitaalisessa signaalinkäsittelyssä .

Muistin jakamisen periaatteen mukaisesti

• Harvardin arkkitehtuuri - tyypillinen piirre on ohjelmamuistin ja datamuistin erottaminen.
• Von Neumann -arkkitehtuuri - tyypillinen piirre on ohjelmien ja tietojen yhteinen tallennus.

Katso myös

• Logiikkaelementit
• Laukaista
• Rekisteröidy (digitaalitekniikka)
• Aritmeettinen logiikkayksikkö (ALU)
• Virtuaalinen muisti
• Tiedosto
• Digitaalinen signaaliprosessori
• prosessori

Muistiinpanot

1. ↑ IEEE 1471 . Haettu 12. helmikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 12. helmikuuta 2022. (määrätön)
2. ↑ Maksimov, 2005 , s. 97.
3. ↑ 1 2 Tanenbaum E. S. Tietokonearkkitehtuuri. - Pietari: Pietari, 2007, ISBN 5-469-01274-3 , C.23
4. ↑ Manchester Baby -tietokoneen 50-vuotispäivä . curation.cs.manchester.ac.uk. Haettu 3. kesäkuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 4. toukokuuta 2012. (määrätön)
5. ↑ IBM100 - System  360 . www-03.ibm.com (7. maaliskuuta 2012). Haettu 3. kesäkuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 30. toukokuuta 2017.
6. ↑ Tietokonejärjestelmien organisaatio: Johdanto, abstraktiot, tekniikka . www.cise.ufl.edu. Haettu 3. kesäkuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 31. lokakuuta 2016. (määrätön)

Kirjallisuus

• Joseph D. Dumas II. Tietokonearkkitehtuuri: Tietokonesuunnittelun perusteet ja periaatteet. - CRC Press, 2005. - ISBN 978-0-8493-2749-0 .
• David A. Patterson , John L. Hennessy . Tietokonearkkitehtuuri: kvantitatiivinen lähestymistapa, 5. painos . - Morgan Kaufmann, 2011. - 856 s. — ISBN 012383872X .  (Englanti)
• David Harris, Sarah Harris. Digital Circuitry and Computer Architecture, 2. painos, kääntänyt joukko yrityksiä ja yliopistoja Venäjällä, Ukrainassa, Yhdysvalloissa ja Isossa-Britanniassa, Morgan Kaufman, 2013
• Tanenbaum E., Austin T. Tietokonearkkitehtuuri. 6. painos Pietari: Piter, 2014, ISBN 978-5-496-00337-7
• N. V. Maksimov, T. L. Partyka, I. I. Popov. Tietokoneiden ja laskentajärjestelmien arkkitehtuuri. - M . : Foorumi - Infra-M, 2005. - 512 s. - ISBN 5-8199-0160-6 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	iso kiinalainen Iso venäläinen Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4048717-9 J9U : 987007545778705171 LCCN : sh85029479 NKC : ph124502