In der Welt der Informatik ist die Computerarchitektur eine Spezifikation, die beschreibt, wie das Computersystem aufgebaut ist und wie es unter der Haube funktioniert.

Im weiteren Sinne sagt uns die Computerarchitektur, wie die Computerhardware und -software in einem Computersystem implementiert und platziert ist.

Nicht nur, wie sie umgesetzt werden, sondern auch, wie sie arbeiten und miteinander kommunizieren. Um unser Konzept zu verdeutlichen, nehmen wir das Beispiel der Gebäudearchitektur oder des Grundrisses eines Gebäudes.

Das gleiche Konzept wird bei der Computerarchitektur verwendet, die uns vor allem sagt, wie der Computer im Inneren aufgebaut ist. Die Computerarchitektur wird im Wesentlichen in drei Hauptkategorien unterteilt, die im Folgenden aufgeführt und in den folgenden Abschnitten kurz beschrieben werden.

• System Design
• Befehlssatz-Architektur
• Mikroarchitektur

Computer, die diese Architekturen implementieren, werden unter Verwendung bestimmter Entwurfsmuster hergestellt oder implementiert, die die oben genannten Architekturen definieren. Bei der Entwicklung dieser Architekturen werden sowohl die Anforderungen des Systems und der Benutzer als auch die neuen Technologien berücksichtigt.

Es gibt Dutzende von Vorteilen, die sich aus der Verwendung von Computerarchitekturen ergeben, je nachdem, welche Computerarchitektur Sie verwenden, aber zusammenfassend kann man sagen, dass einige der wichtigsten Vorteile von Computerarchitekturen folgende sind

Bei der Herstellung von Computersystemen

Mit Hilfe von Computerarchitekturen können Sie Computersysteme auf eine bestimmte Art und Weise entwerfen und implementieren, die jede Architektur vorgibt. Es hilft Ihnen dabei, das Produkt schneller zu entwickeln und Kundenprobleme so schnell wie möglich zu beheben.

Aus der Sicht eines Entwicklers

Aus der Sicht eines Entwicklers führt die Computerarchitektur dazu, dass Sie Anwendungen programmieren, die auch Low-Level-Hardware-Anforderungen erfordern. So können Sie z.B. in Assembler programmieren, um die Hardware und eingebettete Geräte wie Prozessoren, Mainboards, etc. zu entwickeln und zu programmieren.

Effizienz

Die Computerarchitektur hilft Ihnen, Anwendungen und Software schnell, ressourcenschonend und effizient zu entwerfen, zu entwickeln und zu implementieren.

Dokumentationen

Jede Computerarchitektur hat ihre eigene Dokumentation. Die Dokumentation hilft Ihnen, die Architektur effizienter und schneller zu erlernen und zu nutzen.

Die Definition von Computerarchitektur ist nicht sehr pikant und enthält daher keine Tiefe. Es ist die Art der Computerarchitektur, die das Thema interessant und tiefgründig macht.

In diesem Abschnitt sehen wir uns verschiedene Arten der Computerarchitektur an, die Ihnen sowohl im akademischen als auch im beruflichen Leben helfen werden.

Typ 1: Von-Neumann-Architektur

Bildquelle: www.geeksforgeeks.org

Von-Neumann ist die Computerarchitektur, die auf der Grundlage des von Von-Neumann abgeleiteten Computerdesignmodus entworfen und hergestellt wurde. Neumann entwarf diese Architektur für speicherprogrammierte Computer, die nichts anderes sind als intelligente Computer, die auf die Ausführung effizienter und rechenintensiver Aufgaben programmiert sind.

Geschichte

Die Geschichte der Von-Neumann-Architektur ist einfach: Vor diesem Modell gab es zwei Arten von Computern: Einen einfachen Computer, d.h. einen Taschenrechner und die andere Art waren Computer mit gespeicherten Programmen.

Speicherprogrammierte Computer waren die effizientesten, die in der Lage waren, schwere Aufgaben wie das Lesen und Schreiben von Festplatten und Speichern zu erledigen. Sie können den Code selbst modifizieren, um die Aufgaben auszuführen und sie können jede Aufgabe erledigen, die ein moderner Computer ausführen kann, aber sie waren trotzdem sehr langsam. Um dieses Problem zu lösen, leitete Von-Neumann das Modell ab, das Computer schneller arbeiten lässt.

Komponenten

Die Komponenten der Von-Neumann-Modelle sind:

• Verarbeitungseinheit, die komplexe Berechnungen mit Prozessoren durchführen kann
• Steuereinheit, die mit dem Befehlsregister und dem Programmzähler arbeitet
• Speicher, der Daten zur Laufzeit speichert und abruft oder produziert
• Externe Festplattenlaufwerke
• Eingabe- und Ausgabegeräte

Verwendung

Die Computer, die mit diesem Modell hergestellt werden, werden bei der Herstellung verwendet:

• Assembler, Compiler, Linker, Loader und andere programmierte Automatisierungstools
• In Programmiersprachen wie C, C++, Java, etc., die den Code auch manipulieren können

Typ 2: Harvard Architektur

Bildquelle: wikimedia.org

Das Konzept des Harvard-Modells lässt sich leicht verstehen, wenn man es mit der Von-Neumann-Architektur vergleicht.

Das Harvard-Modell setzt die Trennung von Speicher und einzelnen Pfaden für die Anweisungen und Daten um. Bei der Von-Neumann-Architektur teilen sich die Programmanweisungen und die Daten denselben Speicherplatz.

Geschichte

Die Harvard-Architektur hat ihren Ursprung im Harvard Mark I Relais-basierten Computer. Die Arbeiten an der Architektur wurden 1937 begonnen und 1944 vollständig umgesetzt.

Komponenten

Zu den Komponenten des Harvard-Modells gehören:

• Arithmetische und logische Einheit (ALU)
• Steuereinheit (beide wurden getrennt)
• Befehlsspeicher (getrennt)
• Datenspeicher (getrennt)
• Eingabe- und Ausgabegeräte

Verwendung

Die Harvard-Modelle werden speziell in den Geräten oder Anwendungen eingesetzt, die als Einbettungsgeräte verwendet werden sollen. Sie werden in der Regel bei CPUs mit Cache verwendet.

Typ 3: Befehlssatzarchitektur

Bildquelle: slideplayer.com

Die Instruction Set Architecture (ISA) ist ein Satz von Befehlen, der sowohl RISC- (Reduced Instruction Set Computer) als auch CISC- (Complex INstruction Set Computer) Befehle enthält. Viele Geräte wie CPUs führen die vom ISA beschriebenen Anweisungen aus.

Geschichte

Die Instruction Set Architecture wurde in den 90er Jahren von IBM programmiert.

Komponenten

Zu den Komponenten der Instruction Set Architecture gehören:

• Anweisungen
• Adressierungsmodi
• Native Datentypen
• Speicherarchitektur
• Unterbrechungen
• Externe E/A-Anweisungen

Verwendung

Die Befehlssatzarchitektur ist ein Satz von Befehlen und wird daher zur Programmierung von eingebetteten Geräten verwendet.

Typ 4: Mikroarchitektur

Die Mikroarchitektur zeigt uns die logische Darstellung, wie der Mikroprozessor funktioniert, aufgebaut ist und mit seinen Komponenten kommuniziert.

Sie umfasst auch die Kommunikation von Registern, Bussen und Mainboards, die die Befehlssatzarchitektur implementieren. Mit anderen Worten, wir können sagen, dass die Computerarchitektur eine Mischung aus Befehlssatzarchitektur und Mikroarchitektur ist.

Komponenten

Die Mikroarchitektur ist die Kombination aus ALU, Multiplexern und anderen digitalen Logikkomponenten und -blöcken.

Verwendung

Die Mikroarchitekturen werden üblicherweise in Mikroprozessoren und Mikrocontrollern verwendet.

Typ 5: Systemdesign

Das Systemdesign ist eine Methode oder ein Prozess zur Definition der Anforderungen an die Computerarchitektur wie Module, Schnittstellen, komplexe Systeme, Hardware, Software, etc.

Komponenten

Das Systemdesign besteht aus zwei Komponenten oder Kategorien

• Logisches Design
• Hardware-Design

Verwendung

Wie der Name schon sagt, dient das Systemdesign dazu, die Systemarchitektur zu entwerfen.

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