HARVARDSKÁ ARCHITEKTURA: PŮVOD, MODEL, JAK TO FUNGUJE - TECHNOLOGIE - 2025

Architektura Harvardu je počítačová konfigurace, ve které jsou data a instrukce programu umístěny v samostatných buňkách paměti, které lze adresovat nezávisle.

To znamená, že se používá pro počítačový systém, který obsahuje dvě oddělené oblasti: pro příkazy nebo pokyny a pro data. Proto hlavní funkcí této architektury je ukládání dat fyzicky oddělených, poskytování různých signálních cest pro instrukce a data.

Zdroj: Od Nessa los - vlastní práce, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

V této architektuře může být formát i médium těchto dvou segmentů systému nerovnoměrné, protože tyto dvě části jsou tvořeny dvěma samostatnými strukturami.

Některé příklady architektur Harvardu zahrnují rané počítačové systémy, kde programové pokyny mohou být na jednom médiu, například na děrných kartách, a uložená data mohou být na jiném médiu, například na magnetických páskách.

Aplikace

Tento typ architektury má široké uplatnění ve výrobcích zpracování videa a zvuku. S každým nástrojem pro zpracování videa a zvuku lze vidět postavu architektury Harvardu.

Analog Devices Blackfin procesory jsou konkrétní zařízení, kde našlo své hlavní použití. V jiných elektronických výrobcích založených na čipech je také hojně používána architektura Harvardu.

Většina počítačů však používá architekturu von Neumanna a využívá mezipaměti CPU k dosažení překrývání.

Původ

Práce provedená na Harvardské univerzitě ve 40. letech 20. století pod vedením Howarda Aikena vytvořila originální počítač založený na přenosu, nazvaný Harvard Mark I, což je termín, z něhož vycházela koncepce architektury Harvardu.

Tento počítač používal k ukládání dat a pokynů samostatné paměťové jednotky. Poté došlo k významnému rozvoji této architektury.

Aiken podporoval použití samostatných pamětí pro data a pro programové instrukce, se samostatnými sběrnicemi pro každou.

Původní architektura Harvardu obvykle ukládala instrukce o děrovaných páskách a data na elektromechanických čítačích.

Ukládání dat těchto prvních strojů bylo zcela v centrální procesorové jednotce. Na druhé straně neumožnili přístup k pokynům, které mají být uloženy jako data. Operátor musel tyto programy načíst.

Architektura Harvardu může zpracovávat data a provádět instrukce současně, protože každá z nich má svou vlastní adresovou sběrnici.

Modelka

Tento model se vyznačuje tím, že informační sběrnice a úložiště jsou fyzicky odděleny pro data a programový kód.

Protože sběrnice pracují autonomně, lze získat data a programové instrukce současně, čímž se zlepší rychlost návrhu jediné sběrnice.

Harvardský model se proto ukazuje být složitější. Tím, že se autobusy samostatně vyhýbají úzkým místům, které vytvořila von Neumannova architektura.

Počítač může být rychlejší pro obvod určité složitosti, protože vyhledávání pokynů a přístup k datům nemusí bojovat za jednu paměťovou sběrnici.

Pro práci existují dvě paměťové adresy. Proto existuje registr paměti pro strojové instrukce a další registr paměti pro data.

Na rozdíl od architektury von Neumanna, která používá sběrnici k přesunu jak instrukcí, tak dat v paměti, používá architektura Harvardu jednu paměťovou oblast pro data a druhou pro instrukce.

Modifikovaná Harvardská architektura

V dnešních počítačích nedochází k žádné fyzické rozčlenění oblastí paměti používaných programy a daty. Z tohoto důvodu lze říci, že technologicky mají architekturu Von Neumanna.

Upravená architektura Harvardu však slouží k nejlepšímu zobrazení dnešních počítačů.

Ačkoli aktuální procesorové jednotky sdílejí paměť, mají určité prvky, například jedinečné instrukce, které zabraňují tomu, aby se data spojovala s instrukcemi. Tomu se říká modifikovaná Harvardská architektura.

Modifikovaná architektura Harvardu má tedy dvě oddělené sběrnice, jednu pro kód a druhou pro data, ale paměť samotná je fyzicky sdílený prvek.

Řadič paměti je místem, kde změna sedí, protože toto zařízení je to, které zpracovává paměť a jak by se mělo používat.

Moderní počítačové návrhy jsou podporovány upravenou architekturou Harvardu. Používají se v mikrokontrolérech a při zpracování digitálního signálu.

Jak funguje architektura Harvardu?

Architektura Harvardu má různé oblasti adres paměti pro program a data.

To má za následek schopnost navrhnout obvod takovým způsobem, že sběrnice a řídicí obvod mohou být použity pro zpracování toku informací z programové paměti a oddělené pro zpracování toku informací do datové paměti.

Použití samostatných sběrnic znamená, že je možné získat a spustit program, aniž by byl přerušen příležitostným přenosem dat do datové paměti.

Například v jednoduché verzi této architektury by jednotka pro obnovu programu mohla být zaneprázdněna získáním další instrukce v programové sekvenci a paralelním prováděním operace přenosu dat, která mohla být součástí předchozí programové instrukce..

Na této úrovni má Harvardská architektura omezení, protože obecně není možné vložit programový kód do datové paměti a odtud jej spustit.

Přírůstky v architektuře

K jednoduché formě architektury Harvardu lze přidat mnohem komplikovanější existující varianty.

Běžným doplňkem je přidání mezipaměti instrukcí do datové sběrnice programu, což umožňuje jednotce provádějící instrukce rychlejší přístup k dalšímu kroku programu, aniž by bylo nutné přejít do tohoto kroku, do pomalejší paměti. programu pokaždé, když je to požadováno.

Adresy paměti

Počítač Harvardské architektury má různé oblasti instrukcí a datových adres: jedna adresa instrukce není stejná oblast jako datová adresa jedna.

Instrukční adresa by mohla obsahovat dvacet čtyři-bitovou hodnotu, zatímco datová adresa by mohla naznačovat osmibitový bajt, který není součástí této dvacet čtyři-bitové hodnoty.

Paměťový systém

Protože existuje samostatná paměťová oblast pro instrukce a data, oddělující signály a paměťové paměti kódu a dat, umožňuje to simultánní přístup ke každému z paměťových systémů.

Výhoda

- Při přenosu je menší pravděpodobnost poškození, protože data a pokyny jsou přenášeny prostřednictvím různých autobusů.

- Data a pokyny jsou přístupné stejným způsobem.

- Umožňuje různým úložným médiím získat pokyny a data. Například můžete umístit pokyny do levné ROM a data do drahé RAM.

- Obě paměti mohou používat různé velikosti buněk, a tak efektivně využívat zdroje.

- Má větší šířku pásma paměti, což lze lépe předvídat tím, že budou mít samostatné paměti pro instrukce a data.

Úroveň ochrany

V systémech, které nemají jednotku pro správu paměti, nabízí další úroveň ochrany, protože data nelze spustit jako kód, který by vystavil systém mnoha problémům, jako je přetečení vyrovnávací paměti.

To je důvod, proč je oblíbený u malých vestavěných systémů, jako je mikrovlnná trouba nebo hodiny.

Vyšší rychlost

Harvardská architektura umí číst instrukce a současně přistupovat k datové paměti rychlou rychlostí.

Nabízí vyšší výkon, protože umožňuje současné získávání dat a instrukcí ukládat do samostatných pamětí a cestovat přes různé autobusy.

Harvardská architektura obvykle pomůže počítači s určitou úrovní složitosti běžet rychleji než architektura Von Neumann, pokud není nutné sdílet zdroje mezi kódovými a datovými pamětí.

Pokud omezení pinů nebo jiné faktory nutí použití jediné sběrnice pro přístup k oběma paměťovým prostorům, je pravděpodobné, že tyto výhody budou do značné míry zrušeny.

Nevýhody

Větší složitost a cena

Problém s architekturou Harvardu je jeho velká složitost a cena, protože místo jedné datové sběrnice jsou nyní potřeba dva.

Výroba počítače se dvěma sběrnicemi je mnohem dražší a jeho výroba trvá déle. Vyžaduje řídicí jednotku pro dva autobusy, což je komplikovanější a časově náročnější a nákladnější na vývoj.

Pro výrobce to znamená složitější implementaci. Vyžaduje více pinů na procesoru, složitější základní desku a potřebu duplikovat RAM čipy, jakož i složitější návrh mezipaměti.

Málo použití

Harvardská architektura není široce používána, což ztěžuje implementaci. To je důvod, proč se používá zřídka mimo CPU.

Tato architektura se však někdy používá v CPU ke správě mezipaměti.

Zneužití paměťového prostoru

Pokud je v datové paměti volné místo, nelze jej použít k ukládání pokynů a naopak.

Proto musí být konkrétní vzpomínky, které jsou každému věnovány, při jejich výrobě pečlivě vyváženy.

Reference

1. Rozdíly v seznamu (2019). Rozdíl mezi Von Neumannovou a Harvardskou architekturou? Převzato z: listdifferences.com.
2. PC Magazine (2019). Definice: Harvardská architektura. Převzato z: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Harvardská architektura. Převzato z: stroppedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Jaký je rozdíl mezi architekturou Von-Neumanna a Harvarda? Tipy pro mikrokontroléry. Převzato z: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, encyklopedie zdarma (2019). Harvardská architektura. Převzato z: en.wikipedia.org.
6. Šílený programátor (2019). Rozdíl mezi Von Neumannem a Harvardskou architekturou. Převzato z: thecrazyprogrammer.com.