О терминах "архитектура и структура" компьютера

При описании компьютеров принято различать их архитектуру и структуру.

По одному из определений «Архитектура виртуального компьютера – это абстрактное представление или определение этого компьютера с точки зрения программиста, разрабатывающего программы на языке этого виртуального компьютера».

«Архитектура физического компьютера – это абстрактное представление или определение этого физического компьютера с точки зрения программиста, разрабатывающего программы на машинно-ориентированном языке, или разработчика компилятора с языков более высоких уровней на машинно-ориентированный язык».

Архитектура определяет принципы организации компьютера и функции процессора и не отражает такие проблемы, как управление и передача данных внутри процессора, между процессором и другими компонентами компьютера, конструктивные особенности логических микросхем и специфика их производства.

Таким образом, термин архитектура компьютера относится к тем характеристикам компьютера, которые доступны извне, т.е. со стороны программы, или, с другой точки зрения, оказывают непосредственное влияние на логику выполнения программы.

В число характеристик архитектуры входят:

- набор машинных команд;

- форматы и представление данных;

- методы адресации памяти;

- механизм обращения к средствам ввода-вывода и ряд других.

Под термином структура (структурная организация) компьютера подразумевается совокупность операционных блоков (устройств) и их взаимосвязей, обеспечивающая реализацию спецификаций, заданных архитектурой компьютера.

Характеристики структурной организации включают скрытые от программиста детали аппаратной реализации компьютера – управляющие сигналы, аппаратные интерфейсы, количество операционных устройств, ширина и вид связей между компонентами компьютера, параметры отдельных устройств и т.п.

Например, вопрос о том, следует ли в набор машинных команд включить команду умножения, относится к компетенции специалиста, разрабатывающего архитектуру компьютера, а вопрос, как организовать выполнение команды ум­ножения — с помощью специальной матричной схемы или с помощью много­кратного обращения к блоку суммирования — должен решать специалист по структурной организации. Он принимает решение на основании имеющейся ап­риорной информации о частоте выполнения команд умножения в той области применения, для которой проектируется система, соотношении между времена­ми выполнения команды в альтернативных вариантах реализации, стоимости соответствующих средств и их физических размерах.

История развития вычислительной техники и современная практика проек­тирования компьютеров свидетельствуют о том, что разделение между структурной организацией и архитектурой имеет отнюдь не академический ин­терес. Многие фирмы — производители компьютерного оборудования предлага­ют на рынках целые семейства компьютеров, все члены которого имеют единую архитектуру, но отличаются структурной организацией. В результате разные модели семейства имеют разную цену и производительность. Опыт разработки семейств компьютеров показал, что архитектура может быть довольно консерва­тивной и сохраняться на протяжении длительного времени, в то время как структурная организация быстро изменяется вслед за изменениями в технологии производства отдельных компонентов системы. Прекрасным примером тому мо­жет служить история персональных компьютеров. Архитектура IA-32, впервые воплощенная в процессоре Intel 80386 в 1985 г. и сегодня реализуется во всех процессорах этой фирмы.

В течение после­дующих лет различные фирмы разработали много моделей компьютеров с той же базовой архитектурой, в которых использовалась более совершенная и ме­нее дорогая элементная база, новые принципы организации выполнения командя, новые типы интерфейсов периферийных устройств и другие усовершенствования. В результате, по сравнению с предыдущими моделями, значительно возростала производительность компьютеров при одновременном снижении цены, и в то же время сохранялась программная совместимость.

Под программной совместимостью понимается способность новых моделей компьютеров выполнять ранее разработанные программы, существующие в двоичном виде.

Изменялась ли архитектура новых компьютеров по сравнению с первым вариантом архитектуры? Да, но все нововведения не затрагивали базовую архитектуру IA-32, а были ее расширениями. Это позволило во всех новых компьютерах обеспечить программную совместимость с ранее разработанными программами. В то же время программы, разработанные с использованием расширений архитектуры позволяют существенно увеличить производительность компьютера при их выполнении.