Architektura komputera to sposób organizacji elementów tworzących komputer. Architektura systemu może różnić się, a dzielić systemy komputerowe można ze względu na wiele czynników. Zazwyczaj jednak pod pojęciem architektury komputera rozumie się organizację połączeń pomiędzy pamięcią, procesorem i urządzeniami wejścia-wyjścia.

Ze względu na rodzaj połączeń procesor-pamięć i sposób ich wykorzystania dzielimy architektury zgodnie z taksonomią Flynna:

  • SISD (ang. Single Instruction Single Data) – skalarne,
  • SIMD (ang. Single Instruction Multiple Data) – wektorowe (macierzowe),
  • MISD (ang. Multiple Instruction Single Data) – strumieniowe,
  • MIMD (ang. Multiple Instruction Multiple Data) – równoległe.

Ze względu na sposób podziału pracy i dostępu procesora do pamięci możemy podzielić architektury na:

  • SMP (ang. Symmetric Multiprocessing) – symetryczne,
  • ASMP (ang. Asymmetric Multiprocessing) – asymetryczne,
  • NUMA (ang. Non-Uniform Memory Access) – asymetryczne (wykorzystujące pamięć podręczną),
  • AMP (ang. Asynchronous Multiprocessing) – asynchroniczne,
  • MPP (ang. Massively Parallel Processors).

Ze względu na sposób organizacji pamięci i wykonywania programu:

  • architektura von Neumanna – zarówno dane, jak i programy są przechowywane w tym samym bloku pamięci;
  • architektura harwardzka – rozkazy i dane są przechowywane w oddzielnych pamięciach;
  • architektura mieszana – połączenie dwóch powyższych typów: rozdzielono pamięci rozkazów i danych, jednak wykorzystują one wspólne magistrale.

Architektura komputera PC generalnie od jego początków jest podobna. Główne zmiany jakie miały miejsca były dyktowane pojawianiem się nowszych generacji procesorów i typów pamięci RAM, szybszych interfejsów wymiany danych, większych wymogów urządzeń we/wy. Dzisiejsze komputery PC oparte są o architekturę Von Neumanna gdzie komputer składa się podstawowych elementów:

  • procesora,
  • pamięci operacyjnej,
  • urządzeń wejścia / wyjścia.

Architektura ta ma założenia logiczne:

  • pamięć jest uporządkowana w sposób jednowymiarowy, gdzie komórka pamięci ma adres, wyrażony liczbą),
  • instrukcje i dane są przechowywane w pamięci w postaci liczb – nierozróżnialne,
  • interpretacja (znaczenie) danych nie jest przechowywane wraz z nimi,
  • instrukcje są wykonywane sekwencyjnie.

Zatem komputer PC składa się z podstawowych elementów:

  • płyta główna z układem sterowania Chipset i portami rozszerzeń
  • procesor
  • pamięć operacyjna RAM
  • urządzenia wejścia (klawiatura, mysz) i wyjścia (karta graficzna, karta dźwiękowa, drukarka)

Wczesne komputery PC oparte były o architekturę szynową, która pozwoliła wyprodukować komputery we względnie niskiej cenie. Architektura ta pozwala na łatwą rozbudowę komputera. Zaletą tej budowy był fakt, iż sterowniki urządzeń we/wy miały taki sam dostęp do procesora jak pamięć RAM, co umożliwiało budowę systemu komputerowego z większa ilością urządzeń we/wy. Niestety są też i złe strony, architektura ogranicza szybkość transmisji danych pomiędzy procesorem a pamięcią. Elementem spowalniającym są urządzenia we/wy, których prędkość transmisji danych jest niższa.

Architektura jednoszynowa komputera

Aby wykluczyć wady jakie posiadała architektura jednoszynowa komputera, projektanci opracowali architekturę dwu szynową. Rozdzielenie szyn na szybka i wolną pozwoliło uniknąć ograniczenia w transmisji danych pomiędzy procesorem a pamięcią RAM. Szyna wolniejsza była połączona z szyną szybszą po przest most i była ona dłuższa. Umożliwiała podłączenie do niej wielu urządzeń we/wy, które nie ograniczały swoją prędkością szybkiej szyny danych. Z punktu widzenia procesora widoczne dla niego były obie szyny jednocześnie i jednakowo. Architektura taka używana była przez komputery w latach 1994-1998. Stała się jednak mało wydajna, gdy okazało się, że niektóre urządzenia peryferyjne wymagają szybkiej wymiany danych, a głównym motorem były karty graficzne z akceleratorami 3D.

Architektura dwu szynowa komputera

Kolejnym etapem w architekturze komputerów PC było stworzenie wersji trój szynowej. Główną ideą było rozdzielenie szyny urządzeń zewnętrznych na szynę szybka i szynę wolną. Szynę szybką z szyną danych łączył most północny. Obsługiwała ona urządzenia PCI. Szyna wolna urządzeń we/wy była połączona z szyną szybką urządzeń we/wy za pomocą mostu południowego i obsługiwała urządzenia na portach ISA. Architektura ta była wykorzystywana w komputerach w latach 1999-2002. Szybko okazało się jednak, że szyna szybka jest wciąż za wolna dla coraz bardziej wymagających układów graficznych. Rezygnacja ze standardu ISA sprawiła, iż szyna wolna stała się zbędna.

Architektura trój szynowa komputera

Od 2004 roku pojawiła się kolejna architektura. Miała ona rozwiązać problemy, jakie były powodowane wolnymi szynami urządzeń we/wy. Rozwiązaniem było zrezygnowanie z nich. Głównym powodem takiego podejścia był fakt, iż co raz więcej urządzeń wymagało szybkiego transferu dużej ilości danych. Najbardziej wymagające urządzenia uzyskały bezpośrednie połączenie punkt-punkt z pominięciem szyny danych. Dzięki temu podejściu zlikwidowano dla nich konieczność dzielenia szyny danych z innymi urządzeniami i zyskały bezpośredni dostęp do procesora bądź pamięci. Mostek północny zyskał sterownik pamięci, zaś mostek południowy już nie pełni roli mostu między szynami. Zawiera on sterowniki większości niezbędnych w komputerze PC urządzeń zewnętrznych. Dzięki takiemu podejściu można było wydzielić bardzo szybki kanał przesyłu danych dla kart graficznych. Te właśnie urządzenia, ze względu na dużą ilość przetwarzanych informacji, stały się bardzo wymagającymi od systemu rozszerzeniami.

Architektura połączeniami punkt-punkt – rok 2004

Kolejnym etapem rozwoju architektury punkt-punkt była zmiana podejścia w 2006 roku do obsługi pamięci operacyjnej RAM. Rozwój technologi produkcji coraz szybszych układów pamięci pokazał, iż obsługa pamięci przez most północny jest mało efektywna. Jest on hamulcem w transferze danych. Zatem znacznie lepszym i pozwalającym na uzyskanie szybszych transferów danych było umieszczenie w procesorze sterownika pamięci i połączenie go z nią bezpośrednio. Dzięki temu uzyskano szybki kanał transferu danych. Most północny został wyposażony w indywidualne łącza dla sterowników urządzeń zewnętrznych w standardzie PCI express. Szyna PCI została zachowana ze względu na dużą liczbę starszych urządzeń, które wciąż można podłączyć do komputera.

Architektura połączeniami punkt-punkt – rok 2006

Standaryzacja elementów komputera PC pozwala na teoretyczne zastosowanie danego elementu w dowolnym komputerze PC. Podejście takie sprawia, iż komputer PC jest architekturą otwartą i pozwala na jego dowolne rozbudowywanie. Należy jednak pamiętać, iż standaryzacja ta nie dotyczy elementów różnej generacji np. nie zamontujemy procesora Intel Pentium 4 na płycie głównej przeznaczonej dla procesorów Intel Dual Core. Występują również różnice w budowie płyt głównych dla procesorów różnych producentów np.: AMD i Intel. Dodatkowe podziały można spotkać przy stosowaniu pamięci RAM np.: SDRAM, DDRAM1, DDRAM2, DDRAM3. Fizyczna budowa pamięci uniemożliwia zamontowanie układów pamięci w nieodpowiedni port. Zabezpieczenie takie jest konieczne, aby nie doprowadzić do uszkodzenia układów pamięci zamontowanych do nie właściwej płyty głównej.