สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์คือการออกแบบและการจัดระเบียบส่วนประกอบและระบบหลักของคอมพิวเตอร์ ซึ่งรวมถึงโปรเซสเซอร์ หน่วยความจำ อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต และซอฟต์แวร์ที่ควบคุมอุปกรณ์เหล่านั้น การทำความเข้าใจสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์สามารถช่วยให้เราเข้าใจวิธีการทำงานของคอมพิวเตอร์และการทำงานต่างๆ
ระบบคอมพิวเตอร์สามารถแบ่งออกได้เป็นสามองค์ประกอบหลัก ได้แก่ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) หน่วยความจำ และอุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต (I/O) CPU ทำหน้าที่เป็นสมองของคอมพิวเตอร์ ดำเนินการคำสั่งจากโปรแกรมต่างๆ หน่วยความจำจะจัดเก็บคำสั่งและข้อมูลเหล่านี้ไว้ชั่วคราวเพื่อให้เข้าถึงได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่อุปกรณ์ I/O อำนวยความสะดวกในการโต้ตอบระหว่างคอมพิวเตอร์กับโลกภายนอก เช่น แป้นพิมพ์ เมาส์ จอแสดงผล และเครื่องพิมพ์
CPU เป็นหัวใจสำคัญของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ มีหน้าที่รับผิดชอบในการดำเนินการตามคำสั่งจากแอปพลิเคชันซอฟต์แวร์ การคำนวณ และการจัดการกระแสข้อมูลภายในคอมพิวเตอร์ ประสิทธิภาพของ CPU ขึ้นอยู่กับความเร็วสัญญาณนาฬิกา ซึ่งวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) และจำนวนแกนประมวลผลที่ CPU มี ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นและแกนประมวลผลที่มากขึ้นโดยทั่วไปหมายถึงประสิทธิภาพที่เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
หน่วยความจำในคอมพิวเตอร์ถูกจัดระเบียบตามลำดับชั้นเพื่อประสิทธิภาพ ที่ด้านบนสุดคือแคช ซึ่งเป็นหน่วยความจำขนาดเล็กแต่รวดเร็วซึ่งจัดเก็บสำเนาของข้อมูลที่เข้าถึงบ่อยจากหน่วยความจำหลัก (RAM) RAM เข้าถึงได้เร็วกว่าอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล เช่น ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ (HDD) หรือโซลิดสเตตไดรฟ์ (SSD) แต่มีความผันผวน ซึ่งหมายความว่าจะไม่เก็บข้อมูลเมื่อปิดเครื่อง HDD และ SSD นำเสนอพื้นที่จัดเก็บข้อมูลแบบไม่ลบเลือน โดยจะเก็บข้อมูลไว้แม้ในขณะที่คอมพิวเตอร์ปิดอยู่ แต่เข้าถึงได้ช้ากว่า RAM
อุปกรณ์ I/O ช่วยให้คอมพิวเตอร์สามารถสื่อสารกับสภาพแวดล้อมภายนอกได้ อุปกรณ์ป้อนข้อมูล เช่น คีย์บอร์ดและเมาส์ ช่วยให้ผู้ใช้ให้ข้อมูลกับคอมพิวเตอร์ได้ อุปกรณ์ส่งออก เช่น จอภาพและเครื่องพิมพ์ นำเสนอข้อมูลแก่ผู้ใช้ อุปกรณ์บางอย่าง เช่น แฟลชไดรฟ์ USB สามารถรองรับทั้งสองฟังก์ชันได้ คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ยังรวมถึงอุปกรณ์เครือข่ายที่ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตและคอมพิวเตอร์อื่นๆ ได้
สถาปัตยกรรมของฟอน นอยมันน์เป็นแนวคิดพื้นฐานในสาขาวิทยาการคอมพิวเตอร์ อธิบายระบบที่ CPU ของคอมพิวเตอร์ทำงานโดยการอ่านคำสั่งจากหน่วยความจำ สถาปัตยกรรมนี้ประกอบด้วยระบบย่อยหลักสี่ระบบ ได้แก่ หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ (ALU) หน่วยควบคุม หน่วยความจำ และอินเทอร์เฟซอินพุต/เอาท์พุต ALU ดำเนินการคำนวณทางคณิตศาสตร์และการดำเนินการเชิงตรรกะ ในขณะที่หน่วยควบคุมจะแปลคำสั่งจากหน่วยความจำและกำหนดการทำงานของ ALU
ISA เป็นส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ที่โปรแกรมเมอร์หรือผู้เขียนคอมไพเลอร์มองเห็นได้ โดยทำหน้าที่เป็นขอบเขตระหว่างซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ โดยกำหนดรหัสเครื่องที่โปรเซสเซอร์สามารถดำเนินการได้ ISA ระบุคำสั่งของ CPU รีจิสเตอร์ ชนิดข้อมูล โหมดการกำหนดแอดเดรส และสถาปัตยกรรมหน่วยความจำ ไม่ว่าสถาปัตยกรรมจะเป็น RISC (Reduced Instruction Set Computing) หรือ CISC (Complex Instruction Set Computing) จะมีอิทธิพลต่อการออกแบบและคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ
การประมวลผลแบบขนานเกี่ยวข้องกับการแบ่งปัญหาออกเป็นส่วนๆ ที่สามารถแก้ไขได้พร้อมๆ กัน โดยใช้องค์ประกอบการประมวลผลหลายรายการ วิธีการนี้สามารถเพิ่มความเร็วในการประมวลผลได้อย่างมากเมื่อเทียบกับการประมวลผลแบบอนุกรม โปรเซสเซอร์แบบมัลติคอร์ซึ่งมีคอร์อิสระ (หรือ CPU) สองคอร์ขึ้นไปในแพ็คเกจเดียว ได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพผ่านการขนาน แต่ละคอร์ในโปรเซสเซอร์แบบมัลติคอร์สามารถดำเนินการคำสั่งได้พร้อมกัน ช่วยให้ทำงานหลายอย่างพร้อมกันและประมวลผลแอปพลิเคชันที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ในระบบที่มี CPU หรือคอร์หลายตัว การเชื่อมโยงกันของแคชถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนแปลงข้อมูลในแคชหนึ่งจะส่งผลต่อแคชอื่นๆ ทันที นี่เป็นสิ่งสำคัญในสภาพแวดล้อมที่มีการประมวลผลหลายตัว ซึ่งโปรเซสเซอร์หลายตัวอาจจำเป็นต้องเข้าถึงตำแหน่งหน่วยความจำเดียวกัน โปรโตคอลการเชื่อมโยงกันของแคช เช่น MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid) ถูกนำมาใช้เพื่อรักษาความสอดคล้องระหว่างแคชในระบบมัลติคอร์
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์เป็นสาขากว้างๆ ที่ครอบคลุมการออกแบบ ฟังก์ชันการทำงาน และประสิทธิภาพของส่วนประกอบและระบบของคอมพิวเตอร์ การทำความเข้าใจแนวคิดหลัก เช่น การทำงานของ CPU ลำดับชั้นหน่วยความจำ อุปกรณ์ I/O สถาปัตยกรรม Von Neumann, ISA และการประมวลผลแบบขนาน สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าเกี่ยวกับวิธีการที่คอมพิวเตอร์ประมวลผลข้อมูลและปฏิบัติงาน เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้า ความซับซ้อนและความสามารถของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ก็เช่นกัน การขับเคลื่อนนวัตกรรมในประสิทธิภาพการประมวลผลและแอปพลิเคชันก็เช่นกัน
