معماری کامپیوتر

معماری کامپیوتر یکی از دروس اصلی رشته‌های علوم و مهندسی کامپیوتر است که اهمیت بسیار زیادی دارد. درس معماری کامپیوتر به نحوه تعامل اجزای سیستم کامپیوتری می‌پردازد و وظایف آن‌ها را تشریح می‌کند. دوره آموزش معماری کامپیوتر با هدف آموزش سرفصل‌ها این درس تهیه و تدوین شده است.

دوره آموزش معماری کامپیوتر

هدف دوره آموزش معامری کامپیوتر ارائه یک پایه قوی برای دانش آموزان برای درک معماری سیستم‌های کامپیوتری مدرن و به‌کارگیری این بینش‌ها و اصول در طراحی‌های کامپیوتری آینده است. این دانش‌پایه، مفاهیم اساسی، تکنیک‌ها و مبادلات طراحی، ساختار ماشین، عوامل فناوری، مفاهیم نرم‌افزاری و روش‌های ارزیابی و ابزارهای موردنیاز برای درک و طراحی معماری‌های کامپیوتری مدرن ازجمله چند هسته‌ها، سیستم‌های تعبیه‌شده و سیستم‌های موازی را ارائه می‌دهد.

این دوره آموزش معماری کامپیوتر برای رشته علوم کامپیوتر، رشته مهندسی کامپیوتر و مهندسی فن‌آوری اطلاعات یکی از ضروری‌ترین درس‌ها به‌حساب می‌آید که هم برای کنکور کارشناسی ارشد اهمیت دارد و هم جزء یکی از دروس پایه‌ این رشته‌ها است.

درس معماری کامپیوتر به چگونگی کارکرد، طراحی و ساخت پایه‌ای‌ترین اجزای کامپیوتر می‌پردازد. این درس با بررسی یک پردازش گر ساده و ابتدایی اصول کارکرد آن را بیان می‌کند. سپس به معماری‌های مختلف پردازشگر می‌پردازد. بعد از بیان مفاهیم پایه همچنین به بیان مفاهیم پیشرفته‌تر پردازشگر مانند cache, pipelining و غیره نیز می‌پردازد. در انتهای درس، از دانشجو انتظار می‌رود که بتواند یک کامپیوتر ساده بسازد. آشنایی با زبان اسمبلی و درس مدار منطقی به فهم بهتر این درس کمک می‌کند.

سرفصل‌های دوره آموزش معماری کامپیوتر

سرفصل‌های دورە آموزش معماری کامپیوتر به‌صورت زیر و شامل 28 جلسه است.

• جلسه اول - معرفی درس و مطالب آن
• جلسه دوم - مقدمه درس - روند حرکت تکنولوژی
• جلسه سوم - اجزای پایه سخت‌افزار - کارایی و توان
• جلسه چهارم - مرور بر مبانی موردنیاز از درس مدارهای منطقی
• جلسه پنجم - ISA - زبان اسمبلی کامپیوتر پایه
• جلسه ششم - ادامه زبان اسمبلی
• جلسه هفتم - دستورات حلقه، زیربرنامه‌ها و وقفه، ممیز شناور، جمع و تفریق، ضرب بوث و غیره
• جلسه هشتم - رجیسترها (ثبات و انتقال ثبات) - آشنایی با واحد کنترل
• جلسه نهم - سازمان داخلی کامپیوتر پایه
• جلسه دهم - پیاده‌سازی تعدادی از دستورات
• جلسه یازدهم - پیاده‌سازی دستورات دسترسی به حافظه و وقفه
• جلسه دوازدهم - پیاده‌سازی واحد کنترل سیم بندی شده
• جلسه سیزدهم - ادامه پیاده‌سازی واحد کنترل به‌صورت سیم بندی شده
• جلسه چهاردهم - ارائه مثال‌هایی از پیاده‌سازی واحد کنترل
• جلسه پانزدهم - طراحی واحد کنترل به‌صورت ریز برنامه‌ای
• جلسه شانزدهم - ادامه طراحی واحد کنترل به‌صورت ریز برنامه‌ای
• جلسه هفدهم - ادامه طراحی واحد کنترل به‌صورت ریز برنامه‌ای
• جلسه هجدهم - سلسله مراتب حافظه
• جلسه نوزدهم - بخش ١ - حافظه نهان
• جلسه نوزدهم - بخش ٢ - حافظه نهان
• جلسه بیستم - ادامه حافظه نهان - حافظه مجازی
• جلسه بیست و یکم - ادامه حافظه مجازی - دستگاه‌های ورودی/خروجی
• جلسه بیست و دوم - ادامه دستگاه‌های ورودی/خروجی - قابلیت اطمینان و روش‌های محاسبه
• جلسه بیست و سوم - بخش ١ - ادامه دستگاه‌های ورودی/خروجی - روش‌های دسترسی به آن‌ها، حافظه dma و غیره
• جلسه بیست و سوم - بخش ٢ - تکمیل مباحث دستگاه‌های ورودی /خروجی
• جلسه بیست و چهارم - روش انتقال اطلاعات به دستگاه‌های صفر و یک
• جلسه بیست و پنجم - آشنایی با پیاده‌سازی به‌صورت pipeline
• جلسه بیست و ششم - پیاده‌سازی پردازنده MIPS به‌صورت pipeline
• جلسه بیست و هفتم - مخاطرات پیاده‌سازی pipeline
• جلسه بیست و هشتم – جلسه پایانی

معماری کامپیوتر (computer architecture) به ساختار و سازمان‌دهی سیستم کامپیوتری اشاره دارد، درواقع computer architecture اجزای تشکیل‌دهنده یک سیستم کامپیوتری را مشخص می‌کند و نحوه ارتباط آن‌ها، نحوه تعامل آن‌ها با یکدیگر و نحوه مدیریت آن‌ها را توضیح می‌دهد. در دوره آموزش معماری کامپیوتر ما قرار است که با این معماری و اجزای تشکیل‌دهنده آن و حتی نحوه کار آن آشنا شویم.

واژه معمار به‌عنوان کسی که برنامه‌ریزی یا تدبیر می‌کند تعریف می‌شود. معمار کامپیوتر از دانش دقیق سخت‌افزار و نرم‌افزار برای طراحی سیستم‌های کامپیوتری استفاده می‌کند. این شامل طراحی دقیق اجزای داخل ریزپردازنده و همچنین اجزای مختلفی است که با پردازنده اصلی تعامل دارند. معماران طراح نه‌تنها یک CPU، بلکه کل سیستم‌های چندپردازنده‌ای را با سخت‌افزارهای مختلف متصل‌به‌هم ایجاد می‌کنند.

معماری کامپیوتر چیست؟

معماری کامپیوتر به استانداردهای نرم‌افزار، دستورالعمل‌های آموزش مهندسی سخت‌افزاری و زیرساخت‌های فناوری اشاره دارد که نحوه عملکرد سیستم‌های کامپیوتری، پلتفرم‌ها و برنامه‌ها را مشخص می‌کند. به‌عبارت‌دیگر، معماری کامپیوتر طراحی، عملکرد و سازگاری سیستم را مشخص می‌کند. ایجاد معماری کامپیوتر نیازمند متخصصان فناوری اطلاعات است تا ابتدا نیازهای کاربران، محدودیت‌های فناوری و الزامات فرآیند را تعیین کنند.

معماری کامپیوتر توصیفی کاربردی از الزامات و اجرای طراحی برای بخش‌های مختلف کامپیوتر است و به رفتار عملکردی سیستم‌های کامپیوتری می‌پردازد. درس معماری کامپیوتر یکی از دروس پایه در رشته مهندسی کامپیوتر و فن‌آوری اطلاعات است که از اهمیت بسیار بالایی نیز برخوردار است. در دوره آموزش معماری کامپیوتر مکتب خونه با معماری کامپیوتر و نحوه تعامل اجزای آن به‌صورت تخصصی آشنا خواهیم شد.

ویژگی‌های معماری کامپیوتر

معماری کامپیوتر به‌خودی‌خود دارای ویژگی‌های متعددی است که ازجمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. معماری کاری را که کامپیوتر انجام می‌دهد را توصیف می‌کند.

2. معماری کامپیوتر به رفتار عملکردی سیستم‌های کامپیوتری می‌پردازد.

3. معماری نشان‌دهنده سخت‌افزار آن است.

4. به‌عنوان یک برنامه‌نویس، می‌توانید معماری را به‌عنوان مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها، حالت‌های آدرس‌دهی و ثبات‌ها را مشاهده کنید.

5. برای طراحی کامپیوتر ابتدا معماری آن ثابت می‌شود.

6. به معماری کامپیوتر، معماری مجموعه دستورالعمل (ISA) نیز گفته می‌شود.

7. معماری کامپیوتر شامل توابع منطقی مانند مجموعه دستورالعمل‌ها، ثبات‌ها، انواع داده‌ها و حالت‌های آدرس‌دهی است.

8. دسته‌بندی‌های مختلف معماری موجود در سیستم‌های کامپیوتری ما به شرح زیر است:

• معماری فون نویمان
• معماری هاروارد
• مجموعه دستورالعمل معماری
• میکرو معماری
• طراحی سیستم

9. معماری سخت‌افزار و نرم‌افزار سیستم را هماهنگ می‌کند.

10. معماری و سیستم‌های کامپیوتری برای اجرای کارآمد مدل‌های یادگیری ماشین whwS mXmwIuy (ML) بهینه‌شده‌اند.

در دوره آموزش معماری کامپیوتر ما با ویژگی‌های بیشتر معماری کامپیوترها به‌صورت عملی آشنا خواهیم شد.

اجزای کلی معماری کامپیوتر

هر سیستم کامپیوتری از سه بخش کلی تشکیل‌ شده است که در دوره آموزش معماری کامپیوتر به این موضوع به‌صورت تخصصی اشاره‌ خواهد شد و با این حال در اینجا نیز به این مسئله خواهیم پرداخت. اجزای معماری کامپیوتر شامل موارد زیر است:

• طراحی سیستم: این شامل تمام بخش‌های سخت‌افزاری، مانند CPU، پردازنده‌های داده، چندپردازنده‌ها، کنترل‌کننده‌های حافظه و دسترسی مستقیم به حافظه است.
• معماری مجموعه دستورالعمل: این شامل عملکردها و قابلیت‌های CPU، زبان برنامه‌نویسی CPU، فرمت‌های داده، انواع ثبات پردازنده و دستورالعمل‌های مورداستفاده توسط برنامه‌نویسان کامپیوتر است. این قسمت نرم‌افزاری به‌حساب می‌آید که آن را اجرا می‌کند مانند ویندوز یا فتوشاپ یا برنامه‌های مشابه.
• ریزمعماری: این عنصر پردازش و ذخیره‌سازی داده یا مسیرهای داده و نحوه پیاده‌سازی آن‌ها در معماری مجموعه دستورالعمل را تعریف می‌کند. این‌ها ممکن است شامل دستگاه‌های ذخیره‌سازی DVD یا دستگاه‌های مشابه باشد. همه این قطعات به ترتیب خاصی با هم قرار می‌گیرند و باید در یک الگو توسعه داده شوند تا به‌درستی عمل کنند.

تقریباً تمام کامپیوترهای مدرن از مدل معماری فون نیومن استفاده می‌کنند که توسط یک ریاضیدان در دهه 1940 ایجاد شد. این مدل شامل موارد اساسی مانند CPU کامپیوتر، رجیستری، حافظه، ذخیره‌سازی، واحد منطقی و رابط ورودی/خروجی (I/O) است. بیشتر معماری کامپیوترها را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد. ابتدا سیستم سخت‌افزاری شامل CPU، حافظه مستقیم و پردازشگرهای گرافیکی و داده است. دوم، معماری مجموعه دستورالعمل، زبان برنامه‌نویسی تعبیه‌شده را در CPU هدایت می‌کند.

برنامه‌نویسی ISA عملکردها و قابلیت‌های CPU را تعریف می‌کند. تعاریف رایج شامل، انواع پردازنده، حالت‌های حافظه، فرمت‌های داده و دستورالعمل‌های کاربر است. سوم، میکرو معماری سازمان بین‌المللی کامپیوتر است که مسیرهای داده، ذخیره‌سازی، اجرا و پردازش را تعریف می‌کند. معماری یک کامپیوتر ممکن است توسط مهندسان سیستم، معماران اپلیکیشن و مهندسان نرم‌افزار ایجاد و نگهداری شود.

معماران کامپیوتر

معماران کامپیوتر بر اجرای استراتژی‌ها و سیاست‌های معماری در شرکت‌ها نظارت می‌کنند و بازار کار به‌شدت انعطاف‌پذیری دارد. آن‌ها مدل‌های کامپیوتری و راه‌حل‌های استانداردی را ایجاد می‌کنند که باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها، افزایش قابلیت‌ها و هماهنگی با نیازهای تجاری می‌شود. راه‌حل‌های معماری آن‌ها باید ثبات، در دسترس بودن و پایداری را ارائه دهد. معماران کامپیوتر ممکن است با ذخیره‌سازی سرور، پشتیبان گیری از داده‌ها، بازیابی مجازی و برنامه‌های داخلی سروکار داشته باشند. به‌منظور تولید سیستم‌های کارآمد، آن‌ها باید در مورد آخرین روندهای رشته کامپیوتر، برنامه‌نویسی، مهندسی نرم‌افزار و فناوری به‌روز باشند.

معماران کامپیوتر استراتژی‌هایی را تدوین می‌کنند که معماری محاسباتی را تکامل می‌دهند، از ویژگی‌های جدید استفاده می‌کنند، قابلیت‌های جدید را کشف کرده و تجربه کاربر را بهبود می‌بخشند. ممکن است از آن‌ها انتظار رود که الگوها، پیشنهاد‌ها و سیاست‌های معماری در سطح سازمانی را مدیریت و حفظ کنند.

چالش معماری کامپیوتر

ایجاد معماری، چارچوب و زیرساخت کامپیوتر می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز باشد. معماران کامپیوتر باید بتوانند همسویی و پذیرش تکامل سیستم را برای برنامه‌نویسان، مهندسان، طراحان و مدیران ارائه و هدایت کنند. این بدان معناست که آن‌ها باید بتوانند حمایت و همسویی را برای تأمین مالی پروژه، استراتژی‌ها و توصیه‌ها به دست آورند. معماران کامپیوتر ممکن است تجزیه‌وتحلیل علل ریشه‌ای را برای درک یک باگ انجام دهند که بر ساختار و عملکرد معماری تأثیر می‌گذارد.

معماران ارشد کامپیوتر ممکن است معماری‌های سیستمی را به‌روزرسانی، نگهداری و ایجاد کنند که از خطوط تولید و اهداف تجاری پشتیبانی می‌کند. آن‌ها ممکن است طرح‌های معماری موجود را از طریق تحقیقات تطبیقی ​​دقیق بررسی، اصلاح و تائید کنند. معماران ارشد کامپیوتر ممکن است استراتژی‌های معماری را به‌منظور متقاعد کردن مدیریت اجرایی، تیم‌های فنی و فروشندگان شخص ثالث به اشتراک بگذارند. معماران ارشد کامپیوتر باید تجربه قابل‌توجهی در طراحی، توسعه و استقرار راه‌حل‌های سازمانی داشته باشند. آن‌ها باید زیرساخت کامپیوتر، میان‌افزار و یکپارچه‌سازی را به‌طور کامل درک کنند.

دوره‌های مرتبط:

• آموزش vhdl 
• آموزش مدارهای منطقی 
• آموزش میکروکنترلرهای AVR