Streszczenie Architektury systemów komputerowych

## Wprowadzenie Architektura systemu komputerowego określa, w jaki sposób są ze sobą połączone i zorganizowane główne komponenty komputera: procesor (CPU), pamięć i urządzenia wejścia-wyjścia. Z punktu widzenia dostępu do pamięci rozróżniamy podstawowe modele, które wpływają na wydajność, złożoność projektu i zastosowanie systemu. > **Definicja:** Architektura pod względem pamięci opisuje, czy instrukcje i dane mają wspólną czy oddzielną pamięć oraz jakimi ścieżkami się do niej uzyskuje dostęp. ## 1. Architektura von Neumanna ### Kluczowe cechy - Jedna wspólna pamięć dla **programów i danych** - Jedna wspólna magistrala do przesyłania danych i instrukcji - Sekwencyjne przetwarzanie instrukcji: CPU pobiera instrukcje i dane tą samą drogą > **Definicja:** Architektura von Neumanna to model, w którym instrukcje i dane współdzielą tę samą pamięć adresową i danych. ### Zalety - Prosta konstrukcja - Łatwa programowalność - Niższe koszty produkcji ### Wady - Wąskie gardło von Neumanna: współdzielona magistrala ogranicza maksymalną przepustowość między CPU a pamięcią ### Praktyczny przykład Podstawowe komputery osobiste i starsze systemy wbudowane często wykorzystują koncepcje zbliżone do architektury von Neumanna, zwłaszcza tam, gdzie priorytetem jest prostota projektu. ## 2. Architektura harwardzka ### Kluczowe cechy - Oddzielna pamięć na **instrukcje** i **dane** - Oddzielne magistrale dla danych i instrukcji - Możliwość jednoczesnego dostępu do instrukcji i danych > **Definicja:** Architektura harwardzka posiada fizycznie oddzielne przestrzenie pamięci i magistrale dla instrukcji i danych, co umożliwia równoległy dostęp. ### Zalety - Wyższa wydajność dzięki równoległemu dostępowi - Eliminacja konfliktów między dostępem do instrukcji a danych ### Wady - Bardziej złożony projekt - Wyższy koszt - Niższa elastyczność w zakresie współdzielenia pamięci między kodem a danymi ### Zastosowanie - Mikrokontrolery - Systemy wbudowane (embedded) ### Praktyczny przykład Wiele mikrokontrolerów (np. w przemyśle motoryzacyjnym lub automatyce przemysłowej) wykorzystuje zasadę harwardzką w celu zapewnienia szybkiego i deterministycznego działania. ## 3. Zmodyfikowana architektura harwardzka ### Kluczowe cechy - **Oddzielne pamięci podręczne** dla instrukcji i danych - Pamięć główna może być wspólna lub częściowo oddzielona - Łączy zalety architektury von Neumanna i harwardzkiej > **Definicja:** Zmodyfikowana architektura harwardzka wykorzystuje oddzielne linie pamięci podręcznej dla instrukcji i danych, podczas gdy pamięć główna może być współdzielona. ### Zalety - Wyższa wydajność niż czysta architektura von Neumanna - Elastyczność w pracy z pamięcią główną (np. współdzielenie danych i kodu w razie potrzeby) ### Zastosowanie - Nowoczesne procesory (CPU) (PC, laptopy, serwery) ### Praktyczny przykład Procesory wielordzeniowe obecnie często wykorzystują oddzielne pamięci podręczne L1 dla instrukcji i danych, podczas gdy pamięci podręczne L2/L3 oraz RAM są współdzielone. ## 4. Klasyfikacja Flynna (dodatkowe spojrzenie) Podział architektur ze względu na przepływ instrukcji i danych: - SISD – jeden strumień instrukcji, jeden strumień danych (klasyczna maszyna jednordzeniowa) - SIMD – jeden strumień instrukcji, wiele strumieni danych (operacje wektorowe, GPU) - MISD – rzadko stosowane (wiele instrukcji, jeden strumień danych) - MIMD – wiele strumieni instrukcji i danych (procesory wielordzeniowe) > **Definicja:** Klasyfikacja Flynna kategoryzuje komputery ze względu na liczbę równoczesnych strumieni instrukcji i danych. ## 5. Porównanie architektur | Architektura | Pamięć programów i danych | Magistrala | Wydajność | |---|---:|---|---:| | Von Neumann | Wspólna | Wspólna | Niższa | | Harvard | Oddzielna | Oddzielna | Wysoka | | Zmodyfikowana Harvard | Częściowo oddzielna | Kombinowana | Wysoka | ## 6. Kiedy wybrać którą architekturę 1. Niskie koszty i prostota: Von Neumann 2. Deterministyczny i szybki system wbudowany: Harvard 3. Wyso