datamaskinarkitektur

Datamaskinarkitektur är en gren av datavetenskap som studerar strukturen och organisationen av datorer på flera nivåer, från hårdvara till programmeringsmodeller. Den omfattar design av processor, minnesystem, in- och utmatning samt hur dessa komponenter samverkar för att utföra instruktioner. Arkitekturen innefattar val av instruktioners uppsättning (ISA), datapath och styrsystem, minneshierarki, parallellism och energihantering. Målet är att optimera prestanda, kostnad och energi för ett givet användningsområde och en viss plattform.

Historiskt vilar datamaskinarkitektur på von Neumann-principen med ett lagrat program. Under senare decennier har konstruktionen utvecklats till olika modeller som Harvard-arkitektur och koncepten RISC och CISC. Modern arkitektur betonar ofta parallellism, effektivitet och minnesbandbredd och har gått från enskilda kärnor till multikärniga processorer samt samarbete mellan CPU och särskilda acceleratorsenheter som GPU:er.

Nyckelkomponenter inkluderar centralenhet (CPU), minnessystem (register, cache, primärminne, sekundärminne) samt I/O-system. ISA beskriver vilka operationer som kan utföras, medan mikroarkitektur beskriver hur instruktionerna realiseras i datapath och styrning. Minneshierarkin används för att dämpa latens och öka genomströmningen; cacheminne fungerar som snabbare mellanlager mellan CPU och primärminne. Parallellism uppnås genom pipelining, instruktionsnivåparallellism, multikärniga processorer och grafikkärnor samt andra acceleratorsystem.

Moderna trender inkluderar heterogen arkitektur, öppen standard som RISC-V, samt minnescentrerad design och icke-flyktiga minnen. Prestanda utvärderas ofta med benchmarks och mått som IPC, klockfrekvens och energiförbrukning, samt påverkan av virtualisering och säkerhet. Arkitekturval väger mellan prestanda, kostnad, ström och kompatibilitet.