Tietokonearkkitehtuurin

Tietokonearkkitehtuuri on tietokoneen toiminnan periaatteiden ja rakenteiden suunnittelua. Se kattaa ohjainyksikön suorituksen toimintapolut, muistijärjestelmän sekä I/O-välineistön järjestelyn sekä ohjelmiston ja laitteiston välisen rajapinnan. Keskeisiä käsitteitä ovat käskyjoukkoarkkitehtuuri (ISA), mikrorakenteet sekä järjestelmäarkkitehtuuri.

ISA määrittelee ohjelmointirajapinnan: millaisia käskyjä tietokone osaa suorittaa, miten ne osoittavat muistia, sekä miten aritmetiikka ja hallinta toteutetaan. Esimerkkejä ovat x86, ARM, MIPS ja RISC-V. ISA voi olla kytkeytynyt laajemmin yhteensopivuus- ja laajennusominaisuuksiin, ja se vaikuttaa ohjelmiston tuotekehitykseen sekä suorituskykyyn.

Mikrorakenteet kertovat, miten ISA toteutetaan käytännössä: ohjain, putkistot, rekisterit, välimuistit ja datan siirtoputket. Tämä taso määrittää toteutuksen tehokkuuden, energiankulutuksen ja tuen rinnakkaisuudelle. Järjestelmäarkkitehtuuri kattaa laajemman kokonaisuuden kuten muistijärjestelmät, väylä- ja I/O-arkkitehtuurin sekä useamman komponentin yhteistoiminnan. Muisti- ja välimuistihierarkia sekä virtuaalimuisti ovat keskeisiä suorituskyvyn hallinnassa.

Nykyään tietokonearkkitehtuuri nojaa putkistoon, useisiin ytimisiin prosessoreihin, rinnakkaislaskentaan ja SIMD-kiihdytykseen sekä erikoistuneisiin kiihdyttimiin kuten grafiikkapiireihin ja tekoälylle suunnattuihin suorituslohkoihin. Kehityksen suuntiin kuuluu energiatehokkuuden parantaminen, avoimet standardit kuten RISC-V sekä laite- ja ohjelmistoyhteensopivuuden hallinta.