Архітектура комп'ютера

Архітекту́ра ЕОМ — це набір відомостей, необхідний та достатній для написання для даної обчислювальної машини коректних програм на машинній мові, таких, що не залежать від конкретного втілення цієї архітектури. Електронні обчислювальні машини одної архітектури (тобто з однаковою програмною організацією), але реалізовані з використанням різних конструктивних рішень, називають сумісними, або сумісним сімейством ЕОМ.

Найбільшого поширення в ЕОМ отримали 2 типи архітектури: прінстонська (фон Неймана) і гарвардська. Обидві вони виділяють 2 основних вузли ЕОМ: центральний процесор і пам'ять комп'ютера. Різниця полягає в структурі пам'яті: в прінстонській архітектурі програми і дані зберігаються в одному масиві пам'яті і передаються в процесор одним каналом, тоді як гарвардська архітектура передбачає окремі сховища і потоки передачі для команд і даних.

У докладніший опис, що визначає конкретну архітектуру, також входять: структурна схема ЕОМ, засоби і способи доступу до елементів цієї структурної схеми, організація і розрядність інтерфейсів ЕОМ, набір і доступність регістрів, організація пам'яті та способи її адресації, набір і формат машинних команд процесора, способи представлення і формати даних, правила обробки переривань.

За перерахованими ознаками та їх поєднаннями серед архітектур виділяють:

• За розрядністю інтерфейсів і машинних слів: 8 -, 16 -, 32 -, 64-розрядні (ряд ЕОМ має й інші розрядності);
• За особливостями набору регістрів, формату команд і даних: CISC, RISC, VLIW;
• За кількістю центральних процесорів: однопроцесорні, багатопроцесорні, суперскалярні;
• багатопроцесорні за принципом взаємодії з пам'яттю: симетричні багатопроцесорні (SMP), масивно-паралельні (MPP), розподілені.

Архітектура ЕОМ включає інформацію про:

1. набір машинних команд (набір інструкцій), тобто операцій, які може виконувати ця обчислювальна машина
2. доступні регістр процесора — внутрішні комірки пам'яті процесора (пристрою, який виконує набір інструкцій), а саме: функціональне призначення, розрядність, кількість, особливості програмування таких регістрів.
3. розрядність та формати даних операндів — об'єктів, над якими виконуються операції
4. способи адресації пам'яті — методи доступу до операндів в пам'яті ЕОМ
5. механізми управління та захисту пам'яті
6. особливості обробки виключних ситуацій та помилок в системі
7. організацію системи вводу-виводу
8. доступні програмісту апаратні засоби організації багатозадачної та багатопроцесорної обробки інформації

            Часто, особливо в останній час, термін «архітектура ЕОМ» вживається також для позначення саме архітектури системи команд, або архітектури (програмної моделі) процесора, тобто пп. 1-6 цього переліку. Інша інтерпретація цього поняття стосується вже обчислювальних систем, які включають багато обчислювачів, об'єднаних тим чи іншим чином, які реалізують певні стратегії обчислень. Тоді під терміном «архітектура» розуміють якраз конфігурацію та стратегії обчислень даної системи. В цій енциклопедії, якщо не вказано додатково, під архітектурою ЕОМ розуміється саме вищенаведений перелік відомостей.

            Аналогічно тому, як стрілковий годинник багато віків залишається зручним способом слідкування за часом, вдалі архітектури ЕОМ можуть залишатись конкурентоспроможними протягом десятиліть. Еволюціонувати може і сама архітектура, збагачуючи програміста новими інструментами для написання надійніших та швидкодіючих програм.

Приклад — архітектура IA-32 (у вживанішому позначенні x86, починаючи з i386) центрального процесора фірми Intel, яка є ключовою складовою загальної архітектури ЕОМ. Ця архітектура не була революційною, а зберегла повну сумісність знизу вгору з попередньою архітектурою IA-16 (x86, закінчуючи i286), але в неї були додані нові інструменти для роботи в захищеному режимі, організації багатозадачної роботи, розширена розрядність операндів тощо. Кожне наступне сімейство процесорів IA-32 включає нові інструменти, нові команди, але при цьому вимога до сумісності знизу вгору залишається недоторканною.

Ця сумісність є певною жертвою з боку розробника, який міг би, напевно, запропонувати радикально нову архітектуру, яка має масу переваг в порівнянні з іншими, морально застарілими, але він таким вчинком змусив би користувачів на колосальні витрати, пов'язані з адаптацією існуючого програмного забезпечення, накопиченого за багато років експлуатації. Ця обставина миттєво нівелює будь-які аргументи привабливості нової архітектури для більшості потенційних користувачів. Акуратніший підхід якраз полягає в забезпеченні еволюційної наступності нових архітектур.

Існує й інше вирішення проблеми сумісності програмного забезпечення з різними архітектурами ЕОМ — використання мов програмування високого рівня для написаннякрос-платформених програм (переносимих програм). Під переносимими програмами розуміють такі програми, в текстах яких не використовуються ніякі специфічні для будь-якої конкретної архітектури відомості. Мова високого рівня повинна в свою чергу бути стандартизованою. Це дає гарантію того, що одного разу написана, програма може бути використана на різних архітектурах. Відповідальність за адаптацію високорівневих конструкцій мови програмування до особливостей конкретної архітектури бере на себе компілятор з цієї мови для даної конкретної архітектури.