architektúra počítačových systémov

architektúra počítačových systémov — špecializovaná disciplína informatiky, ktorá študuje správanie počítača navonok (funkciu počítača), prepojenie jednotlivých funkčných jednotiek počítača (štruktúru počítača), dynamické interakcie medzi jednotlivými funkčnými jednotkami a riadenie styku medzi nimi (organizáciu počítača), ako aj návrh a vnútornú štruktúru jednotlivých funkčných jednotiek (realizáciu počítača). Uvedené štyri zložky architektúry počítačových systémov zahŕňajú všetky informácie o počítačových systémoch. Architektúra počítačových systémov rieši predovšetkým prípady, keď sa návrh celého systému vykonáva na všetkých úrovniach súčasne, pričom sa postupuje zhora nadol. Systematický návrh potom vychádza z funkčného opisu, t. j. z požiadaviek na správanie počítačového systému ako celku. Funkčný opis sa postupne rozpracúva do opisu štruktúry na čoraz nižších úrovniach, pokiaľ sa nedosiahne úroveň detailného opisu schém zapojenia všetkých jednotiek. Pojem architektúra počítačových systémov sa v užšom význame používa aj na označenie špecializovaných riešení koncepcie výpočtového systému (napr. von neumannovská architektúra, architektúra s tokom údajov), jeho častí (napr. architektúra procesorov RISC), prípadne na označenie technologickej realizácie počítačového systému (architektúra VLSI).

Von neumannovská architektúra, nazývaná aj princetonská architektúra, bola formulovaná ešte v 40. rokoch 20. storočia J. von Neumannom a jeho spolupracovníkmi. Základné postuláty tejto koncepcie vychádzali z téz:

1. počítač sa skladá z funkčných jednotiek (pamäť počítača, aritmetická jednotka, vstupná jednotka, výstupná jednotka a riadiaca jednotka);

2. štruktúra počítača je nezávislá od typu riešenej úlohy, funkcia počítača je daná programom, ktorý je uložený v pamäti;

3. pamäť je rozdelená do buniek rovnakej veľkosti, ich poradové čísla sa používajú ako adresy;

4. program je tvorený postupnosťou inštrukcií, ktoré sa vykonávajú v poradí, v akom sú zapísané v pamäti;

5. zmena poradia vykonávania inštrukcií sa realizuje inštrukciou podmieneného alebo nepodmieneného skoku;

6. inštrukcie a operandy sú uložené v tej istej pamäti;

7. na reprezentáciu inštrukcií a čísel sa používajú dvojkové signály a dvojková číselná sústava.

Von neumannovská architektúra je univerzálna počítačová architektúra (tézy 1 a 2) fungujúca na princípe toku inštrukcií (téza 4). V technickej realizácii to znamená, že každý von neumannovský počítač má špeciálny register nazývaný programové počítadlo alebo ukazovateľ inštrukcií, ktorý uchováva adresu vykonávanej inštrukcie. V neskorších realizáciách von neumannovskej architektúry dochádza k integrácii riadiacej a aritmetickej jednotky a zavádzajú sa pojmy procesor, jednotka procesora.

Realizácia von neumannovskej architektúry, v ktorej sa oddelila pamäť programu od pamäte údajov, sa nazýva harvardská architektúra. V 70. rokoch bola formulovaná architektúra s tokom údajov (→ tok údajov). V tejto architektúre sa inštrukcie vykonávajú vtedy, keď majú pripravené všetky operandy, t. j. neexistuje koncepcia programového počítadla. Architektúra s tokom údajov obsahuje tieto jednotky: pamäť s inštrukciami, výberovú jednotku (vyberá z pamäte inštrukcie s pripravenými operandmi), viacero spracovateľských jednotiek (v spracovateľských jednotkách sa vykonávajú inštrukcie) a zarovnávaciu jednotku (jednotka eviduje pripravenosť operandov v jednotlivých inštrukciách).

Viacpočítačová architektúra sa sústreďuje na skúmanie otázok zvyšovania výkonnosti počítačov využívaním dvoch a viacerých počítačov. Je to štrukturálna schéma systému zostaveného z viacerých počítačov – uzlov. Každý uzol je samostatný počítač obsahujúci procesor, lokálnu pamäť, prípadne vstupno-výstupné zariadenia. Všetky lokálne pamäte sú privátne a prístupné iba lokálnym procesorom. V súčasnosti (aj keď zriedkavo) existujú aj viacpočítačové systémy s distribuovanou spoločnou pamäťou. Počítače sú navzájom poprepájané prepájacou sieťou a komunikujú prostredníctvom výmeny správ (→ medziprocesorová komunikácia). Uzly počítačov a prepájacia sieť vytvárajú počítačovú sieť.

Viacprocesorová architektúra sa sústreďuje na skúmanie otázok zvyšovania výkonnosti počítačov využívaním dvoch a viacerých procesorov. Je to štrukturálna schéma počítača zostaveného z viacerých procesorov. Procesory sú navzájom poprepájané prepájacou sieťou a komunikujú prostredníctvom spoločnej pamäte (medziprocesorová komunikácia), ktorá môže byť fyzicky riešená ako centrálna alebo distribuovaná k jednotlivým procesorom, pričom vytvára globálny adresový priestor prístupný všetkým procesorom.

Architektúra VLSI využíva technológiu VLSI (z angl. Very Large Scale Integration – veľmi veľká integrácia) na implementáciu vysoko výkonných algoritmov špeciálnych funkcií technickými prostriedkami počítačového systému; vyznačuje sa paralelnou organizáciou spracúvania informácií, asynchrónnym decentralizovaným riadením, pričom funkcie spracovania, zapamätávania, riadenia a časovania sú zabudované do elementárnych procesorov vhodne prepojených na čipe integrovaného obvodu. Typickým predstaviteľom sú systolické počítače (→ systolická sieť).