معماری کامپیوتر طراحی و سازماندهی اجزا و سیستم های اصلی کامپیوتر است. این شامل پردازنده، حافظه، دستگاه های ورودی/خروجی و نرم افزاری است که آنها را کنترل می کند. درک معماری کامپیوتر می تواند به ما کمک کند تا از نحوه عملکرد یک کامپیوتر و انجام وظایف مختلف آگاه شویم.
یک سیستم کامپیوتری را می توان به سه جزء اصلی تقسیم کرد: واحد پردازش مرکزی (CPU)، حافظه، و دستگاه های ورودی/خروجی (I/O). CPU به عنوان مغز کامپیوتر عمل می کند و دستورات برنامه ها را اجرا می کند. حافظه این دستورالعمل‌ها و داده‌ها را به‌طور موقت برای دسترسی سریع ذخیره می‌کند، در حالی که دستگاه‌های ورودی/خروجی تعامل بین رایانه و دنیای خارج را تسهیل می‌کنند، مانند صفحه‌کلید، ماوس، نمایشگر و چاپگر.
CPU قلب معماری یک کامپیوتر است. وظیفه اجرای دستورات از برنامه های نرم افزاری، انجام محاسبات و مدیریت جریان داده ها در رایانه را بر عهده دارد. عملکرد یک CPU به سرعت کلاک آن که بر حسب هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود و تعداد هسته های آن بستگی دارد. سرعت کلاک بالاتر و هسته های بیشتر به طور کلی به معنای عملکرد سریع تر و کارآمدتر است.
حافظه در یک کامپیوتر برای کارایی در یک سلسله مراتب سازماندهی شده است. در بالا، حافظه نهان، نوع کوچک اما سریعی از حافظه است که کپی‌هایی از داده‌هایی که اغلب به آنها دسترسی دارند را از حافظه اصلی (RAM) ذخیره می‌کند. دسترسی رم نسبت به دستگاه‌های ذخیره‌سازی مانند هارد دیسک (HDD) یا درایوهای حالت جامد (SSD) سریع‌تر است، اما فرار است، به این معنی که وقتی برق خاموش است، داده‌ها را حفظ نمی‌کند. هارد دیسک‌ها و SSDها فضای ذخیره‌سازی غیرفرار را ارائه می‌کنند و داده‌ها را حتی زمانی که رایانه خاموش است نگه می‌دارند، اما دسترسی به آنها نسبت به RAM کندتر است.
دستگاه های ورودی/خروجی به کامپیوتر اجازه می دهند با محیط خارجی ارتباط برقرار کند. دستگاه‌های ورودی، مانند صفحه‌کلید و ماوس، به کاربران اجازه می‌دهند اطلاعاتی را در اختیار رایانه قرار دهند. دستگاه های خروجی مانند نمایشگرها و چاپگرها اطلاعات را به کاربران ارائه می دهند. برخی از دستگاه ها، مانند درایوهای فلش USB، می توانند هر دو عملکرد را انجام دهند. رایانه های مدرن همچنین شامل دستگاه های شبکه ای هستند که امکان اتصال به اینترنت و سایر رایانه ها را فراهم می کنند.
معماری فون نیومن یک مفهوم اساسی در علوم کامپیوتر است. این سیستم را توصیف می کند که در آن CPU کامپیوتر با خواندن دستورالعمل های آن از حافظه کار می کند. این معماری شامل چهار زیرسیستم اصلی است: واحد منطق حسابی (ALU)، واحد کنترل، حافظه و رابط های ورودی/خروجی. ALU محاسبات ریاضی و عملیات منطقی را انجام می دهد، در حالی که واحد کنترل دستورالعمل ها را از حافظه تفسیر می کند و عملیات ALU را دیکته می کند.
ISA بخشی از معماری کامپیوتر است که برای برنامه نویس یا کامپایلر نویسنده قابل مشاهده است. این به عنوان مرز بین نرم افزار و سخت افزار عمل می کند و کد ماشینی را که یک پردازنده می تواند اجرا کند را تعریف می کند. ISA دستورالعمل های CPU، رجیسترها، انواع داده ها، حالت های آدرس دهی و معماری حافظه را مشخص می کند. اینکه یک معماری RISC (محاسبات مجموعه دستورالعمل های کاهش یافته) یا CISC (محاسبات مجموعه دستورالعمل های پیچیده) باشد، بر ویژگی های طراحی و عملکرد آن تأثیر می گذارد.
محاسبات موازی شامل تقسیم یک مسئله به بخش هایی است که می توان همزمان با استفاده از عناصر پردازشی متعدد آن را حل کرد. این رویکرد می تواند به طور قابل توجهی سرعت انجام وظایف محاسباتی را در مقایسه با پردازش سریال افزایش دهد. پردازنده‌های چند هسته‌ای که شامل دو یا چند هسته (یا CPU) مستقل در یک بسته فیزیکی هستند، برای بهبود عملکرد از طریق موازی‌سازی طراحی شده‌اند. هر هسته در یک پردازنده چند هسته‌ای می‌تواند دستورالعمل‌ها را به طور همزمان اجرا کند، که امکان چندوظیفگی کارآمد و پردازش برنامه‌های پیچیده را فراهم می‌کند.
در سیستم‌هایی با چندین CPU یا هسته، انسجام حافظه پنهان برای اطمینان از اینکه تغییر داده‌ها در یک حافظه نهان بلافاصله در سایر حافظه‌ها منعکس می‌شود، حیاتی است. این مهم در محیط های چند پردازشی است، جایی که چندین پردازنده ممکن است نیاز به دسترسی به مکان های حافظه یکسان داشته باشند. پروتکل های انسجام کش، مانند MESI (اصلاح شده، انحصاری، اشتراک گذاری شده، نامعتبر)، برای حفظ ثبات در حافظه های پنهان در سیستم های چند هسته ای استفاده می شود.
معماری کامپیوتر حوزه وسیعی است که طراحی، عملکرد و کارایی اجزا و سیستم های کامپیوتر را در بر می گیرد. درک مفاهیم کلیدی آن، مانند عملکرد CPU، سلسله مراتب حافظه، دستگاه های ورودی/خروجی، معماری Von Neumann، ISA و پردازش موازی، می تواند بینش ارزشمندی را در مورد نحوه پردازش اطلاعات و انجام وظایف رایانه ها ارائه دهد. با پیشرفت فناوری، پیچیدگی و قابلیت‌های معماری رایانه نیز افزایش می‌یابد و باعث ایجاد نوآوری در عملکرد محاسباتی و برنامه‌های کاربردی می‌شود.
