Architettura del computer: Un tutorial completo

Nel mondo dell'informatica, l'architettura del computer è una specifica che spiega effettivamente com'è fatto il sistema informatico e come funziona nei meccanismi.

In una forma più ampia, l'architettura del computer ci dice come l'hardware e il software del computer sono implementati e collocati all'interno di un sistema informatico.

Non solo come sono implementati, ma anche come lavorano e comunicano tra loro. Per rendere il nostro concetto più chiaro, prendiamo l'esempio dell'architettura dell'edificio o la pianificazione dei piani dell'edificio.

Lo stesso concetto è usato con l'architettura del computer, che ci dice principalmente com'è fatto il computer al suo interno. L'architettura del computer è distribuita in tre categorie principali che sono elencate di seguito, ma brevemente descritte nelle prossime sezioni.

• Progetto del sistema
• Set di istruzioni dell'architettura
• Microarchitettura

I computer che implementano queste architetture sono fatti usando certi modelli di progetto definiti dalle suddette architetture. Queste, sono progettate tenendo in mente i requisiti del sistema, dell'utente e delle nuove tecnologie.

Ci sono dozzine di benefici dell'uso dell'architettura del computer a seconda di quale si stia usando ma, in sintesi, alcuni dei principali vantaggi dell'architettura del computer sono:

Resa del sistema informatico

Le architetture del computer permettono di progettare e implementare i sistemi informatici in un modo specifico definito da ogni architettura. Questo vi aiuta a rendere il prodotto più veloce, e a risolvere i problemi dei clienti il più presto possibile.

Punto di vista di uno sviluppatore

Dal punto di vista di uno sviluppatore, l'architettura del computer permette di programmare le applicazioni che richiedono anche i requisiti hardware di basso livello, come si può programmare in linguaggio Assembly per sviluppare e programmare l'hardware e i dispositivi integrati come processori, schede madri, ecc.

Efficienza

L'architettura del computer aiuta a progettare, sviluppare, implementare applicazioni e software rapidamente, senza molte risorse e in modo più efficiente.

Documentazioni

Ogni architettura del computer ha la sua documentazione. La documentazione aiuta a imparare e utilizzare l'architettura in modo più efficiente e veloce.

La definizione di architettura del computer non è molto ricca nè approfondita. È il tipo di architettura del computer che rende l'argomento interessante e profondo.

In questa sezione, vedremo diversi tipi di architettura del computer, che vi aiuteranno sia nella vita accademica che professionale.

Tipo 1: Architettura Von-Neumann

Fonte dell'immagine: www.geeksforgeeks.org

Von-Newmann è l'architettura del computer realizzata sulla modalità di progettazione del computer derivata da Von-Newmann. Newmann ha progettato questa architettura per i computer a programma memorizzato, che non sono altro che computer intelligenti programmati per eseguire compiti di alto calcolo in maniera efficiente.

Storia

La storia dell'architettura Von-Newmann è semplice: prima di questo modello il mondo aveva due tipi di computer: un computer semplice, cioè una calcolatrice, e un computer a programma memorizzato.

I computer a programma memorizzato erano i più efficienti, in grado di svolgere compiti pesanti come leggere, scrivere dischi e memorizzare. Essi potevano auto-modificare il codice per eseguire i compiti e svolgere tutti quelli che anche un computer moderno può svolgere, ma erano molto lenti. Così, per risolvere questo problema, Von-Newmann ne ha derivato un modello per far lavorare i computer più velocemente.

Componenti

I componenti dei modelli Von-Newmann sono:

• Unità di elaborazione che può eseguire con i processori calcoli complessi
• Unità di controllo che si occupa del registro delle istruzioni e del contatore del programma
• Memoria che memorizza e recupera o produce dati in fase di esecuzione
• Dischi rigidi esterni
• Dispositivi di ingresso e uscita

Uso

I computer che sono fatti con questo modello sono utilizzati nella fase di realizzazione di

• assemblatori, compilatori, linker, caricatori e altri strumenti di automazione programmati
• In linguaggi di alto livello come C, C++, Java, ecc. che possono anche manipolare il codice

Tipo 2: Architettura Harvard

Fonte immagine: wikimedia.org

Il concetto del modello Harvard può essere facilmente compreso quando è in contrasto con l'architettura Von-Newmann.

Il modello Harvard implementa la separazione della memoria e percorsi singoli per le istruzioni e i dati. Nell'architettura Von-Newmann, le istruzioni del programma e i dati condividono lo stesso spazio di memoria.

Storia

L'architettura Harvard ha avuto origine dal computer a bese relè Harvard Mark I. Il lavoro sull'architettura fu iniziato nel 1937 e interamente implementato nel 1944.

Componenti

I componenti del modello Harvard includono:

• Unità aritmetica e logica (ALU)
• Unità di controllo (entrambe sono state separate)
• Memoria di istruzione (separata)
• Memoria dati (separata)
• Dispositivi di ingresso e uscita

Uso

I modelli Harvard sono specifici per i dispositivi o le applicazioni utilizzati come dispositivi incorporati. Sono comunemente usati con le CPU con cache.

Tipo 3: Set di Istruzioni dell'architettura

Fonte immagine: slideplayer.com

Il set d'istruzioni dell'architettura (ISA) è l'insieme di istruzioni che include sia le istruzioni RISC (Reduced Instruction Set Computer) che quelle CISC (Complex INstruction Set Computer). Molti dispositivi come le CPU eseguono le istruzioni descritte dall'ISA.

Storia

Il set d'istruzioni dell'architettura è stata programmato da IBM negli anni '90.

Componenti

I componenti del set di istruzioni dell'architettura includono:

• Istruzioni
• Modalità di indirizzamento
• Tipi di dati nativi
• Architettura della memoria
• Interruzioni
• Istruzioni I/O esterne

Uso

Il set di istruzioni dell'architettura è un insieme di istruzioni ed è quindi utilizzato per programmare i dispositivi integrati.

Tipo 4: Microarchitettura

La microarchitettura ci mostra la rappresentazione logica di come funziona il microprocessore, com'è progettato e come comunica con i suoi componenti.

Essa include anche la comunicazione di registri, bus, schede madri che implementano il set di istruzioni dell'architettura. In altre parole, possiamo dire che l'architettura dei computer è un mix di set d'istruzioni di architettura e Microarchitettura.

Componenti

La microarchitettura è la combinazione di ALU, multiplexer e altri componenti e blocchi di logica digitale.

Uso

Le microarchitetture sono comunemente utilizzate nei microprocessori e nei microcontrollori.

Tipo 5: progettazione di sistemi

La progettazione del sistema è un modo o un processo di definizione dei requisiti dell'architettura del computer come moduli, interfacce, sistemi complessi, hardware, software, ecc.

Componenti

Il design del sistema ha due componenti o categorie

• Progetto logico
• Progetto hardware

Uso

Come il nome definisce, il progetto del sistema è utilizzato per poi progettare l'architettura del sistema.

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