Základní architektury počítačů

Architektura počítačů je technický obor zaměřený na návrh a konstrukci zařízení na zpracování dat (počítač). Zajišťuje:

  • stanovení vnitřní reprezentace dat a operací, které se s nimi budou provádět
  • specifikaci funkčních bloků (jednotek) počítače a jejich propojení
  • formát strojových instrukcí
  • způsob jak pracuje CPU a jakým způsobem přistupuje k paměti

Architektura počítače je tedy konkrétní způsob realizace počítače. Existují dvě základní koncepce konstrukce počítače:

  • Von Neumannova architektura:
    • používá jednu sběrnici, na kterou jsou připojeny všechny aktivní prvky (procesor, paměť, vstupy a výstupy)
    • činnost počítače je sekvenční (oproti harvardské) a je řízena řadičem. Řadič načítá jednu instrukci po druhé, dekóduje je a postupně je provádí
    • každou instrukci lze rozdělit na jednodušší operace
    • skládá se z:
      • řadiče - elektronická řídicí jednotka, realizovaná sekvenčním obvodem, která řídí činnost všech částí počítače. Toto řízení je prováděno pomocí řídicích signálů, které jsou zasílány jednotlivým modulům (dílčím částem počítače). Dílčí částí počítače je např. operační paměť, která rovněž obsahuje řadič, který je podřízen hlavnímu řadiči počítače, jenž je součástí CPU.
      • aritmeticko-logické jednotky (ALU) - provádí všechny aritmetické (např. sčítání, násobení, bitový posuv, …) a logické (logický součin, negace, …) výpočty. Operace jsou prováděny nad operandy s pevně daným rozsahem závislým na architektuře. Výpočty s libovolnou přesností je tak zapotřebí provádět pomocí softwarových knihoven.
      • vstupní/výstupní jednotka - zařizuje přenos dat mezi periferním zařízením nebo vnější pamětí a počítačem.
Von Neumannova architektura
obr. 1: Von Neumannova architektura
  • Harvardská architektura:
    • používá oddělenou paměť pro data a pro program
    • může používat (pro čtení i zápis) paměť programu i paměť dat najednou - tzn. paralelně (oproti Von Neumannové architektuře)
    • často se používá u jednočipových počítačů, malých vestavěných systémů (PDA, mobilní telefony a podobně) a především u signálových procesorů (DSP) u nichž dovoluje dosáhnout velké rychlosti zpracování dat
Harvardská architektura
obr. 2: Harvardská architektura

Architektura současného PC

Současné počítače nejsou konstruovány důsledně ani podle jednoho z těchto dvou základních schémat. Univerzální osobní počítače obsahují jen jednu paměť, do které se umisťují programy i zpracovávaná data.

Architektura současného PC
obr. 3: Architektura současného PC

Procesor (CPU) - je základní elektronická jednotka, která umí vykonávat strojové instrukce (označení kódovaného příkazu pro provedení elementární operace procesoru), ze kterých je tvořen počítačový program a obsluhovat jeho vstupy a výstupy. Mezi hlavní součásti procesoru patří aritmeticko-logická jednotka, registry a řadič.

Registr procesoru má za úkol:

  • udržovat stav procesoru
  • sloužit o odkládání mezivýsledků
  • tvořit operandy aritmetických a logických operací

Citace