Wprowadzenie:
Architektura systemu komputerowego odnosi się do struktury i organizacji komponentów komputerowych oraz interakcji między nimi. Różne architektury systemów komputerowych mają unikalne cechy, które sprawiają, że są one bardziej efektywne w różnych zastosowaniach.
W ramach tej lekcji przyjrzymy się głównym architekturom systemów komputerowych, w tym architekturze von Neumanna, architekturze harwardzkiej, oraz bardziej zaawansowanym modelom wieloprocesorowym.
1. Architektura von Neumanna
Definicja: Architektura von Neumanna to klasyczny model systemu komputerowego, który stanowi podstawę dla większości współczesnych komputerów. Została opracowana przez Johna von Neumanna w latach 40. XX wieku.
Kluczowe elementy:
- Jednolita pamięć: Zarówno dane, jak i programy są przechowywane w tej samej pamięci operacyjnej.
- Sekwencyjne przetwarzanie: Instrukcje są przetwarzane jedna po drugiej, w określonej kolejności.
- Jedna magistrala: Dane i instrukcje są przesyłane tą samą magistralą, co może powodować tzw. wąskie gardło.
Zalety:
- Prosta organizacja systemu.
- Łatwość implementacji.
Wady:
- Wąskie gardło pamięci, które ogranicza przepustowość danych i instrukcji.
Przykład: Większość komputerów osobistych i laptopów korzysta z architektury von Neumanna, ponieważ jest to efektywne rozwiązanie dla większości ogólnych zadań.
2. Architektura harwardzka
Definicja: Architektura harwardzka jest alternatywnym modelem architektury komputerowej, w którym pamięć dla danych i pamięć dla programów są rozdzielone.
Kluczowe cechy:
- Oddzielna pamięć: Instrukcje i dane są przechowywane w różnych przestrzeniach pamięci.
- Równoczesne przetwarzanie: Możliwe jest jednoczesne pobieranie instrukcji i przetwarzanie danych, co zwiększa wydajność.
Zalety:
- Wyższa przepustowość i wydajność.
- Brak problemu wąskiego gardła pamięci.
Wady:
- Bardziej skomplikowana architektura, trudniejsza w implementacji.
- Zwiększone koszty pamięci.
Przykład: Architektura harwardzka jest często wykorzystywana w procesorach sygnałowych (DSP), gdzie wysoka wydajność przetwarzania sygnałów audio i wideo jest kluczowa.
3. Architektura wieloprocesorowa (symetryczna i asymetryczna)
Definicja: Architektura wieloprocesorowa wykorzystuje wiele procesorów do równoległego przetwarzania zadań. Jest stosowana w systemach, gdzie wymagane są duże moce obliczeniowe, np. w serwerach czy superkomputerach.
Rodzaje architektury wieloprocesorowej:
- Symetryczna (SMP): Każdy procesor ma równy dostęp do pamięci i zasobów, co pozwala na równoczesne wykonywanie wielu procesów.
- Asymetryczna (AMP): Jeden główny procesor zarządza pracą pozostałych procesorów, które mogą wykonywać dedykowane zadania.
Zalety:
- Wyższa wydajność, szczególnie w aplikacjach równoległych.
- Lepsze wykorzystanie zasobów w porównaniu do architektur jednoprocesorowych.
Wady:
- Złożona implementacja i synchronizacja procesów.
- Wysoki koszt i zwiększone zapotrzebowanie na energię.
Przykład: Systemy serwerowe korzystające z architektury SMP, które obsługują setki użytkowników jednocześnie.
4. Architektura jednoprocesorowa
Definicja: System jednoprocesorowy opiera się na jednym procesorze, który wykonuje wszystkie zadania w sekwencyjnym trybie. Jest to najprostszy rodzaj architektury systemów komputerowych.
Zalety:
- Prosta budowa i implementacja.
- Niskie koszty produkcji i mniejsze zapotrzebowanie na energię.
Wady:
- Ograniczona wydajność przy złożonych zadaniach.
- Brak możliwości równoczesnego przetwarzania wielu zadań.
Przykład: Większość podstawowych komputerów w latach 70. i 80. korzystała z architektury jednoprocesorowej.
5. Architektura rozproszona
Definicja: W systemach z architekturą rozproszoną zasoby obliczeniowe są rozproszone w wielu komputerach lub węzłach, które współpracują ze sobą w celu wykonania zadań.
Zalety:
- Skalowalność – łatwe dodawanie nowych węzłów do systemu.
- Wysoka niezawodność dzięki replikacji danych.
Wady:
- Złożoność komunikacji i synchronizacji między węzłami.
- Większe ryzyko opóźnień wynikających z sieci.
Przykład: Systemy chmurowe, takie jak Amazon Web Services (AWS) czy Google Cloud, opierają się na architekturze rozproszonej.