Arhitektura računala je dizajn i organizacija osnovnih komponenti i sustava računala. To uključuje procesor, memoriju, ulazno/izlazne uređaje i softver koji njima upravlja. Razumijevanje računalne arhitekture može nam pomoći da shvatimo kako računalo funkcionira i obavlja različite zadatke.
Računalni sustav može se podijeliti na tri glavne komponente: središnju procesorsku jedinicu (CPU), memoriju i ulazno/izlazne (I/O) uređaje. CPU djeluje kao mozak računala, izvršavajući upute iz programa. Memorija privremeno pohranjuje te upute i podatke radi brzog pristupa, dok I/O uređaji olakšavaju interakciju između računala i vanjskog svijeta, poput tipkovnica, miševa, zaslona i pisača.
CPU je srce arhitekture računala. Odgovoran je za izvršavanje uputa iz softverskih aplikacija, izvođenje izračuna i upravljanje protokom podataka unutar računala. Performanse CPU-a ovise o njegovoj brzini takta, mjerenoj u Hercima (Hz), i broju jezgri koje sadrži. Veći radni takt i više jezgri općenito znače brže i učinkovitije performanse.
Memorija u računalu je organizirana u hijerarhiji radi učinkovitosti. Na vrhu je predmemorija, mala, ali brza vrsta memorije koja pohranjuje kopije podataka kojima se često pristupa iz glavne memorije (RAM). RAM-u je brži za pristup nego uređajima za pohranu kao što su tvrdi diskovi (HDD) ili solid state diskovi (SSD), ali je nepostojan, što znači da ne zadržava podatke kada je napajanje isključeno. HDD i SSD nude trajnu pohranu, čuvajući podatke čak i kada je računalo isključeno, ali im se pristupa sporije nego RAM-u.
I/O uređaji omogućuju računalu komunikaciju s vanjskim okruženjem. Ulazni uređaji, poput tipkovnica i miševa, omogućuju korisnicima da daju informacije računalu. Izlazni uređaji, poput monitora i pisača, prikazuju informacije korisnicima. Neki uređaji, poput USB flash pogona, mogu služiti obje funkcije. Moderna računala također uključuju mrežne uređaje koji omogućuju povezivanje s Internetom i drugim računalima.
Von Neumannova arhitektura je temeljni koncept u računalnoj znanosti. Opisuje sustav u kojem CPU računala radi čitanjem njegovih uputa iz memorije. Ova se arhitektura sastoji od četiri glavna podsustava: aritmetičko-logičke jedinice (ALU), upravljačke jedinice, memorije i ulazno/izlaznih sučelja. ALU izvodi matematičke izračune i logičke operacije, dok upravljačka jedinica tumači upute iz memorije i diktira rad ALU-a.
ISA je dio računalne arhitekture koji je vidljiv programeru ili piscu prevoditelja. Služi kao granica između softvera i hardvera, definirajući strojni kod koji procesor može izvršiti. ISA specificira instrukcije CPU-a, registre, tipove podataka, načine adresiranja i arhitekturu memorije. Bilo da je arhitektura RISC (Reduced Instruction Set Computing) ili CISC (Complex Instruction Set Computing) utječe na njezin dizajn i karakteristike performansi.
Paralelno računanje uključuje podjelu problema na dijelove koji se mogu rješavati istovremeno, korištenjem više elemenata za obradu. Ovaj pristup može znatno ubrzati računalne zadatke u usporedbi sa serijskom obradom. Višejezgreni procesori, koji sadrže dvije ili više neovisnih jezgri (ili CPU-a) u jednom fizičkom paketu, dizajnirani su za poboljšanje performansi putem paralelizma. Svaka jezgra u višejezgrenom procesoru može izvršavati instrukcije istovremeno, omogućujući učinkovit multitasking i obradu složenih aplikacija.
U sustavima s više CPU-a ili jezgri, koherencija predmemorije ključna je za osiguravanje da se izmjena podataka u jednoj predmemorije odmah odražava u ostalima. Ovo je važno u okruženjima s više procesora, gdje nekoliko procesora može trebati pristup istim memorijskim lokacijama. Protokoli koherentnosti predmemorije, kao što je MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid), koriste se za održavanje dosljednosti između predmemorija u višejezgrenim sustavima.
Računalna arhitektura je široko područje koje obuhvaća dizajn, funkcionalnost i učinkovitost računalnih komponenti i sustava. Razumijevanje njegovih ključnih koncepata, kao što su rad CPU-a, hijerarhija memorije, I/O uređaji, Von Neumannova arhitektura, ISA i paralelna obrada, može pružiti vrijedan uvid u to kako računala obrađuju informacije i izvršavaju zadatke. Kako tehnologija napreduje, tako rastu i složenost i mogućnosti računalnih arhitektura, potičući inovacije u računalnim performansama i aplikacijama.
