Datorarkitektur

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 17 februari 2022; kontroller kräver 8 redigeringar .

Datorarkitektur  är en konceptuell modell av ett datorsystem, förkroppsligad i dess komponenter, deras interaktion med varandra och miljön, inklusive principerna för dess design och utveckling [1] [2] . Implementeringsaspekter (som tekniken som används för att implementera minne ) är inte en del av arkitekturen [3] .

Organisationsnivåer

Det finns flera nivåer av datororganisation (datorarkitektur), från två eller flera: [3]

Nivå 0 Den digitala logiska nivån är maskinens hårdvara , bestående av grindar . Se även logiska element (spärrar), vippor , register . Nivå 1 Mikroarkitektonisk nivå, tolkning (firmware) eller direkt exekvering. Elektroniska kretsar kör maskinberoende program. Uppsättningen av processorregister bildar det lokala minnet. Se även aritmetisk logikenhet , styrenhet . Dess uppgift är att tolka kommandon på nivå 2 (kommandoarkitektur). För närvarande, på instruktionsarkitekturnivån, finns det vanligtvis enkla instruktioner som exekveras i en cykel (såsom i synnerhet RISC-maskiner). Nivå 2 Kommandosystemsarkitekturnivå , översättning ( assembler ) . Nivå 3 Operativsystemnivå , översättning (assembler). Detta är en hybridnivå: en del av kommandona tolkas av operativsystemet och den andra delen tolkas av firmware. Se även virtuellt minne , filer . Nivå 4 Assembly språknivå, översättning ( kompilator ). Den fjärde nivån och över används för att skriva applikationsprogram , från första till tredje systemprogram . Program i människovänlig form översätts till språket på nivå 1-3. Nivå 5 Språk på hög nivå . Program på högnivåspråk översätts vanligtvis till nivå 3 och 4.

Historik

Den första dokumenterade datorarkitekturen var i en korrespondens mellan Charles Babbage och Ada Lovelace , som beskrev analysmotorn. När han skapade Z1-datorn 1936 beskrev Konrad Zuse sina framtida projekt i två patentansökningar. [4] Två andra tidiga och viktiga exempel:

John von Neumanns papper från 1945, det första utkastet till en EDVAC- rapport , som beskrev organisationen av logiska grindar;

En mer detaljerad föreslagen elektronisk kalkylator av Alan Turing för en automatisk datormotor, också 1945, som citerade en artikel av John von Neumann.

Termen "arkitektur" i datorlitteratur kan spåras tillbaka till verk av Lyle R. Johnson, Friedrich P. Brooks, Jr. och Mohammad Usman Khan. De var alla medlemmar av maskinorganisationsavdelningen, vid IBMs huvudforskningscenter 1959. Johnson hade möjlighet att skriva sin egen forskningsartikel om Stretch-superdatorn utvecklad av IBM vid Los Alamos National Laboratory (då känt som Los Alamos Science Laboratory). För att beskriva detaljnivån för att diskutera en överdådigt dekorerad dator, noterade han att hans beskrivning av format, instruktionstyper, hårdvarualternativ och hastighetsförbättringar var på nivån "systemarkitektur" - en term som verkade mer användbar än "maskinorganisation". ."

Därefter började Brooks, designern av stretch, ett kapitel i den andra boken (Designing a Computer System: The Stretch Project, red., W. Buchholz, 1962) genom att skriva:

"Datorarkitektur, liksom arkitektur, är konsten att identifiera behoven hos användaren av en struktur och sedan designa för att på bästa sätt möta dessa behov inom ekonomiska och tekniska begränsningar."

Brooks fortsatte med att hjälpa till att utveckla IBM System/360 (nu kallad IBM zSeries) raden av datorer, där "arkitektur" blev ett substantiv för "vad användaren behöver veta". [5]

De tidigaste datorarkitekturerna designades på papper och byggdes sedan direkt in i den slutliga hårdvaruformen. Senare datorarkitekturprototyper byggdes fysiskt som ett transistor-transistor-logiksystem (TTL) såsom 6800 och de beprövade PA-RISC-prototyperna och korrigerades innan de gick vidare till den slutliga hårdvaruformen. Med början på 1990-talet är nya datorarkitekturer typiskt "byggda", testade och inställda i någon annan datorarkitektur i en datorarkitektursimulator; eller inuti FPGA som en mjuk mikroprocessor; Eller båda - innan du gör det slutliga hårdvaruformuläret. [6]

Klassificering

Efter typ av processor som används

• CISC ( complex instruction set computing) är en arkitektur med en komplett uppsättning kommandon. Sådana processorer exekverar alla instruktioner, enkla och komplexa, i ett stort antal cykler. Det finns många instruktioner i sådana processorer, och kompilatorer på toppnivå använder sällan alla instruktioner.
• RISC (eng. reducerad instruction set computing ) - arkitektur med en reducerad uppsättning instruktioner. Sådana processorer i allmänhet fungerar snabbare än CISC-arkitektur, på grund av förenklingen av arkitekturen och minskningen av antalet instruktioner, men för att exekvera en komplex instruktion är den sammansatt av en uppsättning enkla, vilket ökar exekveringen tidpunkten för instruktionen (för fler cykler). Det är värt att notera att moderna RISC-processorer närmar sig eller till och med överträffar klassiska CISC-motsvarigheter när det gäller intern komplexitet.
• MISC (eng. minimal instruction set computing ) - arkitektur med ett minimum av kommandon. Sådana processorer har ett minsta antal instruktioner, alla instruktioner är enkla och kräver ett litet antal cykler för att utföras, men om komplexa beräkningar utförs, till exempel med flyttal, så exekveras sådana instruktioner i ett betydligt större antal cykler , överskrider CISC- och RISC-arkitekturerna.
• VLIW (engelsk  mycket lång instruktionsord  - "mycket lång maskininstruktion") är en arkitektur med en lång maskininstruktion, som indikerar parallell exekvering av beräkningar. Sådana processorer har funnit utbredd användning inom digital signalbehandling .

Enligt principen om minnesdelning

• Harvard-arkitektur - en karakteristisk egenskap är separationen av programminne och dataminne.
• Von Neumann-arkitektur - en karakteristisk egenskap är gemensam lagring av program och data.

Se även

• Logiska element
• Utlösare
• Register (digital teknik)
• Aritmetisk logisk enhet (ALU)
• Virtuellt minne
• Fil
• Digital signalprocessor
• CPU

Anteckningar

1. ↑ IEEE 1471 . Hämtad 12 februari 2022. Arkiverad från originalet 12 februari 2022. (obestämd)
2. ↑ Maksimov, 2005 , sid. 97.
3. ↑ 1 2 Tanenbaum E. S. Datorarkitektur. - St. Petersburg: Peter, 2007, ISBN 5-469-01274-3 , C.23
4. ↑ 50-årsdagen av Manchester Baby-datorn . curation.cs.manchester.ac.uk. Hämtad 3 juni 2017. Arkiverad från originalet 4 maj 2012. (obestämd)
5. ↑ IBM100 - System  360 . www-03.ibm.com (7 mars 2012). Hämtad 3 juni 2017. Arkiverad från originalet 30 maj 2017.
6. ↑ Organisation av datorsystem: Inledning, abstraktioner, teknologi . www.cise.ufl.edu. Hämtad 3 juni 2017. Arkiverad från originalet 31 oktober 2016. (obestämd)

Litteratur

• Joseph D. Dumas II. Datorarkitektur: Grundläggande och principer för datordesign. - CRC Press, 2005. - ISBN 978-0-8493-2749-0 .
• David A. Patterson , John L. Hennessy . Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5:e upplagan . - Morgan Kaufmann, 2011. - 856 sid. — ISBN 012383872X .  (Engelsk)
• David Harris, Sarah Harris. Digital Circuitry and Computer Architecture, 2:a upplagan, översatt av ett team av företag och universitet i Ryssland, Ukraina, USA och Storbritannien, Morgan Kaufman, 2013
• Tanenbaum E., Austin T. Datorarkitektur. 6:e uppl. St. Petersburg: Piter, 2014, ISBN 978-5-496-00337-7
• N. V. Maksimov, T. L. Partyka, I. I. Popov. Arkitektur av datorer och datorsystem. - M . : Forum - Infra-M, 2005. - 512 sid. - ISBN 5-8199-0160-6 .

Ordböcker och uppslagsverk	stor kines Stor ryss Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4048717-9 J9U : 987007545778705171 LCCN : sh85029479 NKC : ph124502