Casa > Exposició > Contingut

Funcions d’arquitectura d’ordinador

Mar 11, 2019

Definició


El propòsit és dissenyar una computadora que maximitzi el rendiment i que mantingui el consum d’energia sota control, costos baixos en relació amb el rendiment esperat i, a més, molt fiable. Per això, cal tenir en compte molts aspectes que inclouen el disseny de conjunts d’instruccions, l’organització funcional, el disseny de lògica i la implementació. La implementació consisteix en el disseny de circuits integrats, envasos, potència i refrigeració. L’optimització del disseny requereix familiaritat amb compiladors, sistemes operatius i disseny lògic i envasos.


Arquitectura del conjunt d'instruccions

Una arquitectura de conjunt d'instruccions (ISA) és la interfície entre el programari i el maquinari de l'ordinador i també es pot veure com la visualització del programador de la màquina. Els ordinadors no entenen llenguatges de programació d’alt nivell com Java, C ++ o la majoria de llenguatges de programació utilitzats. Un processador només entén les instruccions codificades de manera numèrica, generalment com a nombres binaris. Les eines de programari, com ara els compiladors, tradueixen aquests llenguatges d'alt nivell en instruccions que el processador pot entendre.


A més de les instruccions, l’ISA defineix els elements de l’ordinador disponibles per a un programa, com ara tipus de dades, registres, modes d’adreçament i memòria. Les instruccions localitzen aquests elements disponibles amb índexs de registre (o noms) i modes d’adreçament de memòria.


L’ISA d’un ordinador es descriu normalment en un petit manual d’instruccions, que descriu com es codifiquen les instruccions. A més, pot definir noms breus (vagament) mnemotècnics per a les instruccions. Els noms poden ser reconeguts per una eina de desenvolupament de programari anomenada assembler. Un assemblador és un programa informàtic que tradueix una forma de l'ISA llegible en un format llegible per ordinador. Els desmuntadors també estan àmpliament disponibles, normalment en depuradors i programes de programari per aïllar i corregir el mal funcionament dels programes informàtics binaris.


Els ISA varien en qualitat i integritat. Un bon compromís ISA entre la conveniència del programador (la facilitat de comprensió del codi), la mida del codi (quant de codi és necessari per realitzar una acció específica), el cost de l’ordinador per interpretar les instruccions (més complexitat significa més maquinari necessari descodificar i executar les instruccions), i la velocitat de l’ordinador (amb un maquinari de descodificació més complex s’aconsegueix un temps de descodificació més llarg). L'organització de la memòria defineix com interactuen les instruccions amb la memòria i com la memòria interactua amb ella mateixa.


Durant el programari d'emulació de disseny (emuladors) es poden executar programes escrits en un conjunt d'instruccions proposat. Els emuladors moderns poden mesurar la mida, el cost i la velocitat per determinar si un ISA determinat compleix els seus objectius.


Organització informàtica


L'organització informàtica ajuda a optimitzar els productes basats en el rendiment. Per exemple, els enginyers de programari necessiten conèixer el poder de processament dels processadors. Pot ser que necessitin optimitzar el programari per obtenir el màxim rendiment pel preu més baix. Això pot requerir una anàlisi molt detallada de l’organització de l’ordinador. Per exemple, en una targeta SD, els dissenyadors poden necessitar organitzar la targeta perquè la majoria de les dades es puguin processar de la manera més ràpida possible.


L’organització d’ordinadors també ajuda a planificar la selecció d’un processador per a un projecte concret. Pot ser que els projectes multimèdia necessitin un accés de dades molt ràpid, mentre que les màquines virtuals poden necessitar interrupcions ràpides. De vegades, certes tasques també necessiten components addicionals. Per exemple, una computadora capaç d'executar una màquina virtual necessita un maquinari de memòria virtual perquè la memòria de diferents ordinadors virtuals es pugui mantenir separada. L'organització i les funcions de l'ordinador també afecten el consum d'energia i el cost del processador.


Implementació

Una vegada que es dissenya el conjunt d'instruccions i la microarquitectura, cal desenvolupar una màquina pràctica. Aquest procés de disseny es denomina implementació. La implementació normalment no es considera disseny arquitectònic, sinó enginyeria de disseny de maquinari. La implementació es pot dividir en diversos passos:


Implementació lògica dissenya els circuits necessaris a un nivell de porta lògica

Circuit Implementation realitza dissenys a nivell de transistors d'elements bàsics (portes, multiplexors, pestells, etc.), així com alguns blocs més grans (ALU, cachés, etc.) que es poden implementar al nivell de la porta de registre, o fins i tot al nivell físic si el disseny ho requereix.

La implementació física dibuixa circuits físics. Els diferents components del circuit es col·loquen en un plafó de xips o en un tauler i es creen els cables que els connecten.

La validació del disseny prova l’ordinador en conjunt per veure si funciona en totes les situacions i en tots els horaris. Un cop s’inicia el procés de validació del disseny, es provarà el disseny a nivell lògic mitjançant emuladors lògics. Tanmateix, normalment és massa lent per fer proves realistes. Així, després de fer correccions basades en la primera prova, es fabriquen prototips utilitzant matrius de portes programables per camp (FPGA). La majoria de projectes de hobby s'aturen en aquesta etapa. El pas final és provar els prototips de circuits integrats. Els circuits integrats poden requerir diversos redissenys per solucionar problemes.

Per a les CPU, el procés d’implementació sencer s’organitza de manera diferent i s’anomena sovint com a disseny de la CPU.