ARCHITEKTURA HARWARDZKA: GENEZA, MODEL, JAK TO DZIAŁA - TECHNOLOGIA - 2025

Architektura Harvard jest konfiguracja komputera, w których dane i instrukcje w programie znajdują się w oddzielnych komórkach pamięci, które mogą być skierowane oddzielnie.

Oznacza to, że jest to termin używany w odniesieniu do systemu komputerowego, który zawiera dwa oddzielne obszary: polecenia lub instrukcje oraz dane. Dlatego główną funkcją tej architektury jest przechowywanie danych fizycznie oddzielonych, zapewniając różne ścieżki sygnału dla instrukcji i danych.

Źródło: From Nessa los - Praca własna, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

W tej architekturze zarówno format, jak i media tych dwóch segmentów systemu mogą być nierówne, ponieważ te dwie części składają się z dwóch oddzielnych struktur.

Niektóre przykłady architektur Harvardu obejmują wczesne systemy komputerowe, w których instrukcje programu mogą znajdować się na jednym nośniku, na przykład na kartach perforowanych, a dane przechowywane na innym nośniku, na przykład na taśmach magnetycznych.

Aplikacje

Ten typ architektury ma szerokie zastosowanie w produktach do przetwarzania obrazu i dźwięku. Przy każdym narzędziu do przetwarzania obrazu i dźwięku można dostrzec architekturę Harvardu.

Procesory Blackfin firmy Analog Devices to szczególne urządzenie, w którym znalazł swoje główne zastosowanie. W innych produktach opartych na układach elektronicznych szeroko stosowana jest również architektura Harvardu.

Jednak większość komputerów korzysta z architektury von Neumanna i wykorzystuje pamięć podręczną procesora, aby uzyskać nakładanie się.

Pochodzenie

Prace wykonane na Uniwersytecie Harvarda w latach czterdziestych XX wieku pod kierownictwem Howarda Aikena stworzyły oryginalny komputer przekaźnikowy o nazwie Harvard Mark I, od którego wywodzi się koncepcja architektury Harvardu.

Ten komputer używał oddzielnych jednostek pamięci do przechowywania danych i instrukcji. Potem nastąpił znaczący rozwój tej architektury.

Aiken zachęcał do używania oddzielnych pamięci dla danych i instrukcji programu, z oddzielnymi magistralami dla każdej z nich.

Oryginalna architektura Harvardu zazwyczaj przechowywała instrukcje na taśmach perforowanych i dane na licznikach elektromechanicznych.

Przechowywanie danych z tych wczesnych maszyn było całkowicie w centralnej jednostce przetwarzania. Z drugiej strony nie dawali dostępu do instrukcji, które miały być przechowywane jako dane. Operator musiał załadować programy.

Architektura Harvardu może jednocześnie przetwarzać dane i wykonywać instrukcje, ponieważ każda z nich ma własną szynę adresową.

Model

Model ten charakteryzuje się tym, że magistrale informacyjne i pamięć są fizycznie oddzielone dla danych i kodu programu.

Ponieważ autobusy działają autonomicznie, dane i instrukcje programowe mogą być uzyskiwane w tym samym czasie, co poprawia prędkość w porównaniu z projektem pojedynczej magistrali.

Dlatego model Harvard okazuje się bardziej złożony. Jednak posiadanie autobusów niezależnie pozwala uniknąć wąskiego gardła spowodowanego architekturą von Neumanna.

Komputer może być szybszy dla obwodu o określonej złożoności, ponieważ wyszukiwanie instrukcji i dostęp do danych nie musi walczyć o pojedynczą magistralę pamięci.

Do pracy są dwa adresy pamięci. Dlatego istnieje rejestr pamięci dla instrukcji maszynowych i inny rejestr pamięci dla danych.

W przeciwieństwie do architektury von Neumanna, która wykorzystuje magistralę do przenoszenia zarówno instrukcji, jak i danych w pamięci, architektura Harvardu wykorzystuje jeden obszar pamięci na dane, a inny na instrukcje.

Zmodyfikowana architektura Harvardu

W dzisiejszych komputerach nie ma fizycznej dezagregacji obszarów pamięci używanych przez programy i dane. Z tego powodu można powiedzieć, że technologicznie mają architekturę Von Neumanna.

Jednak zmodyfikowana architektura Harvardu najlepiej reprezentuje dzisiejsze komputery.

Chociaż obecne jednostki przetwarzające współużytkują pamięć, mają pewne elementy, takie jak unikalne instrukcje, które zapobiegają splątaniu danych z instrukcjami. Nazywa się to zmodyfikowaną architekturą Harvardu.

Tak więc zmodyfikowana architektura Harvardu ma dwie oddzielne magistrale, jedną dla kodu i drugą dla danych, ale sama pamięć jest fizycznie współdzielonym elementem.

W kontrolerze pamięci znajduje się zmiana, ponieważ to urządzenie obsługuje pamięć i jak powinno być używane.

Nowoczesne projekty komputerowe są wspierane przez zmodyfikowaną architekturę Harvardu. Znajdują zastosowanie w mikrokontrolerach oraz w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów.

Jak działa architektura Harvardu?

Architektura Harvardu ma różne obszary adresowe pamięci dla programu i danych.

Skutkuje to możliwością zaprojektowania obwodu w taki sposób, że magistrala i obwód sterujący mogą być wykorzystane do obsługi przepływu informacji z pamięci programu oraz oddzielnego do obsługi przepływu informacji do pamięci danych.

Użycie oddzielnych magistral oznacza, że ​​możliwe jest pobranie i wykonanie programu bez przerywania go przez okazjonalne przesyłanie danych do pamięci danych.

Na przykład, w prostej wersji tej architektury, jednostka odtwarzania programu może być zajęta pobieraniem następnej instrukcji w sekwencji programu i równoległym wykonywaniem operacji transferu danych, która mogłaby być częścią poprzedniej instrukcji programu. .

Na tym poziomie architektura Harvardu ma pewne ograniczenia, ponieważ generalnie nie jest możliwe umieszczenie kodu programu w pamięci danych i wykonanie go stamtąd.

Dodatki w architekturze

Do prostej formy architektury Harvardu można dodać wiele bardziej skomplikowanych istniejących wariantów.

Powszechnym dodatkiem jest dodanie pamięci podręcznej instrukcji do magistrali danych programu, umożliwiając jednostce wykonawczej instrukcji szybszy dostęp do następnego kroku w programie, bez konieczności przechodzenia do wolniejszej pamięci, aby dostać się do tego kroku. programu za każdym razem, gdy jest to wymagane.

Adresy pamięci

Komputer o architekturze Harvard ma różne obszary adresów instrukcji i danych: adres instrukcji jeden nie jest tym samym obszarem, co adres danych.

Adres instrukcji jeden może zawierać wartość dwudziestoczterobitową, podczas gdy adres danych jeden może wskazywać bajt ośmiobitowy, który nie jest częścią tej dwudziestoczterobitowej wartości.

System pamięci

Ponieważ istnieje oddzielny obszar pamięci dla instrukcji i danych, oddzielający zarówno sygnały, jak i przechowywanie kodu i danych w pamięci, umożliwia to jednoczesny dostęp do każdego z systemów pamięci.

Korzyść

- Istnieje mniejsze prawdopodobieństwo uszkodzenia transmisji, ponieważ dane i instrukcje są przesyłane różnymi szynami.

- Dostęp do danych i instrukcji jest taki sam.

- Umożliwia różne nośniki do przechowywania instrukcji i danych. Na przykład możesz umieścić instrukcje w niedrogiej pamięci ROM, a dane w drogiej pamięci RAM.

- Dwie pamięci mogą wykorzystywać komórki o różnej wielkości, co pozwala efektywnie wykorzystywać zasoby.

- Ma większą przepustowość pamięci, co jest bardziej przewidywalne dzięki oddzielnym pamięciom na instrukcje i dane.

Poziom ochrony

W systemach, które nie posiadają jednostki zarządzającej pamięcią, zapewnia dodatkowy poziom ochrony, ponieważ danych nie można uruchomić jako kodu, co naraziłoby system na wiele problemów, takich jak przepełnienie bufora.

Dlatego jest popularny w małych systemach wbudowanych, takich jak kuchenka mikrofalowa lub zegar.

Wyższa prędkość

Architektura Harvardu może odczytywać instrukcje, a także uzyskiwać dostęp do pamięci danych jednocześnie z dużą prędkością.

Zapewnia większą wydajność, ponieważ umożliwia jednoczesne uzyskiwanie danych i instrukcji, które są przechowywane w oddzielnych pamięciach i podróżują przez różne szyny.

Architektura Harvardu zazwyczaj pomaga komputerowi o pewnym stopniu złożoności działać szybciej niż architektura Von Neumanna, o ile nie jest konieczne współdzielenie zasobów między pamięcią kodu i danych.

Jeśli ograniczenia pinów lub inne czynniki wymuszają użycie jednej magistrali w celu uzyskania dostępu do obu przestrzeni pamięci, korzyści te prawdopodobnie zostaną w dużej mierze zniweczone.

Niedogodności

Większa złożoność i koszt

Problem z architekturą Harvardu polega na jej dużej złożoności i kosztach, ponieważ zamiast jednej magistrali danych potrzebne są teraz dwie.

Wyprodukowanie komputera z dwoma magistralami jest znacznie droższe i trwa dłużej. Wymaga jednostki sterującej dla dwóch autobusów, która jest bardziej skomplikowana, czasochłonna i kosztowna w opracowaniu.

Oznacza to bardziej złożoną implementację dla producentów. Wymaga większej liczby pinów na procesorze, bardziej złożonej płyty głównej i konieczności duplikowania układów pamięci RAM, a także bardziej złożonej konstrukcji pamięci podręcznej.

Niewielkie użytkowanie

Architektura Harvardu nie jest szeroko stosowana, co utrudnia jej wdrożenie. Dlatego rzadko jest używany poza procesorem.

Jednak ta architektura jest czasami używana w procesorze do zarządzania jego pamięcią podręczną.

Niewłaściwe wykorzystanie przestrzeni pamięci

Gdy w pamięci danych jest wolne miejsce, nie można go używać do przechowywania instrukcji i odwrotnie.

Dlatego poszczególne wspomnienia, które są dedykowane każdemu z nich, muszą być starannie wyważone podczas ich wytwarzania.

Bibliografia

1. Lista różnic (2019). Różnica między architekturą von Neumanna a architekturą Harvardu? Zaczerpnięte z: listdifferences.com.
2. Magazyn PC (2019). Definicja: architektura Harvardu. Zaczerpnięte z: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Architektura Harvardu. Zaczerpnięte z: sufitpedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Jaka jest różnica między architekturą Von-Neumanna i Harvardu? Wskazówki dotyczące mikrokontrolera. Zaczerpnięte z: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, wolna encyklopedia (2019). Architektura Harvardu. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org.
6. Szalony programista (2019). Różnica między Von Neumanna i Harvard Architecture. Zaczerpnięte z: thecrazyprogrammer.com.