Architettura (computer)

Con architettura hardware si intende l'insieme dei criteri di progetto in base ai quali è progettato e realizzato un computer, oppure un dispositivo facente parte di esso. Per estensione, descrivere l'architettura di un dispositivo significa, in particolare, elencarne le sottoparti costituenti ed illustrarne i rapporti interfunzionali.

Definizione

Gene Amdahl, Gerrit A. Blaauw e Frederick P. Brooks introdussero il termine "architettura" nel 1964 per distinguere le caratteristiche comuni di tutti i modelli IBM System/360 dalle loro versioni molto diverse in termini di tecnologia, capacità e velocità operativa. Questa comunanza aveva lo scopo di rendere più facile la sostituzione di parti e programmi del computer quando le esigenze dei clienti cambiavano.

Si trattava quindi di un'astrazione simile al concetto matematico di struttura algebrica. In essa, ad esempio, l'aritmetica è astratta dalle regole di sequenza e di scambio degli operandi o di risoluzione delle parentesi, in modo da applicarsi a vari insiemi e combinazioni di base, come i numeri naturali con l'addizione o gli insiemi con l'unione.

Gli autori hanno evitato la parola astrazione tentando una definizione per enumerazione in una nota a piè di pagina: “Il termine architettura viene qui utilizzato per descrivere gli attributi di un sistema visti dal programmatore, cioè la struttura concettuale e il comportamento funzionale, distinti dall'organizzazione del flusso di dati e dei controlli, dalla progettazione logica e dall'implementazione fisica”.

Autori successivi come Peter Stahlknecht e Ulrich Hasenkamp hanno specificato, integrato e modificato questo elenco, perdendo di vista l'aspetto dei punti in comune e dell'astrazione. Di conseguenza, l'espressione "architettura dei computer" perse il suo carattere essenziale e divenne una parola d'ordine sofisticata per progetti arbitrari.

Descrizione

I soggetti che si occupano di architettura dei calcolatori hanno il compito di costruire sistemi di elaborazione di diversa complessità (da una semplice scheda elettronica a un complesso sistema con grossa potenza di calcolo) mettendo insieme questi componenti elementari.

È anche importante sottolineare la differenza che intercorre tra elettronica e architettura dei calcolatori:

l'elettronico ha il compito di costruire circuiti veloci ed efficienti, si occupa quindi di migliorare i "mattoni", i componenti elementari del sistema; l'architetto dei calcolatori ha invece il compito di ottenere le migliori prestazioni possibili (in termini di potenza di calcolo, costi in termini economici) assemblando in maniera efficiente i componenti elementari.

Elementi base

I "mattoni" che costituiscono un sistema di calcolo sono:

porte logiche (and, not, or)

generatori di segnali (ad es. clock)

Mettendo insieme le porte logiche, che sono tipicamente circuiti realizzati con diverse tecnologie elettroniche (CMOS, TTL, ECL) è possibile costruire le cosiddette macchine elementari che si dividono in macchine combinatorie e macchine sequenziali.

Macchine combinatorie

I circuiti (o macchine) combinatori possono essere modellati matematicamente con funzioni booleane di variabili booleane del tipo

y=f(u)

dove y è il vettore delle uscite del sistema e u è il vettore degli ingressi; come si nota dall'argomento della funzione f, i circuiti combinatori non sono dotati di stato, sono sistemi adinamici e quindi l'uscita del sistema in un istante t dipende solo dall'ingresso applicato al sistema nello stesso istante e non dagli ingressi precedentemente applicati (supponendo per semplicità che non ci siano ritardi di propagazione tra ingresso e uscita).

Le macchine combinatorie elementari sono le seguenti:

multiplexer

demultiplexer

decodificatori

sommatori, divisori, moltiplicatori

Macchine sequenziali

Le macchine sequenziali invece sono sistemi del tipo dove è il vettore delle uscite, è il vettore degli ingressi e è il vettore degli stati. Quindi una macchina sequenziale è un sistema dinamico, la cui uscita in un generico istante dipende sia dall'ingresso sia dallo stato del sistema in quell'istante.

Le macchine sequenziali fondamentali sono:

flip-flop

memorie

registri a scorrimento

contatori

Processori e sistemi

Interconnessioni di reti logiche sotto forma di circuiti integrati danno vita a sistemi elettronici di elaborazione più complessi (es. programmable logic device e microcontrollori) fino ad arrivare ai processori. Il termine architettura viene dunque usato in riferimento alla configurazione di quest'ultimi (architettura x86, CISC, RISC, SPARC, 32-bit, 64-bit, pipeline, ecc...) e, quando si parla di prodotti di consumo, si usa in contrapposizione alla parola software: le soluzioni hardware risolvono le loro funzionalità sotto forma di dispositivo dedicato, quelle software sono soluzioni sviluppate sotto forma di programmi eseguibili che possono essere caricati su dispositivi general purpose.

A livello più esteso il termine architettura si riferisce all'architettura logica del computer nel suo intero comprendendo processore, memoria, registri e collegamenti tra loro, scheda madre, schede di espansione, case o cabinet ecc...(architettura di von Neumann, architettura Harvard, architettura di un processore basato su registri generali ecc..). Nell'ambito dei sistemi informatici diffuse sono invece le architetture hardware n-tier, mentre nelle grandi realtà si parla di architettura telematica.