HARVARDSKÁ ARCHITEKTÚRA: PÔVOD, MODEL, AKO TO FUNGUJE - TECHNOLÓGIE - 2026

Harvard architektúra je konfigurácia počítača, v ktorom sú dáta a inštrukcie programu umiestnené v samostatných bunkách pamäti, ktoré môžu byť riešené samostatne.

To znamená, že sa používa pre počítačový systém, ktorý obsahuje dve samostatné oblasti: pre príkazy alebo pokyny a pre údaje. Preto hlavnou funkciou tejto architektúry je ukladanie údajov fyzicky oddelených, pričom sa poskytujú rôzne signálové cesty pre inštrukcie a dáta.

Zdroj: Od Nessa los - Vlastná práca, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

V tejto architektúre môže byť formát aj médium týchto dvoch segmentov systému nerovnaké, pretože tieto dve časti sú tvorené dvoma samostatnými štruktúrami.

Niektoré príklady architektúr Harvardu zahŕňajú skoré počítačové systémy, kde programové inštrukcie by mohli byť na jednom médiu, napríklad na dierovacích kartách, a uložené údaje by mohli byť na inom médiu, napríklad na magnetických páskach.

aplikácia

Tento typ architektúry má široké uplatnenie vo výrobkoch na spracovanie videa a zvuku. S každým nástrojom na spracovanie videa a zvuku je možné vidieť postavu architektúry Harvardu.

Analógové zariadenia Procesory Blackfin sú konkrétne zariadenia, v ktorých našlo svoje hlavné použitie. V iných produktoch založených na elektronických čipoch sa architektúra Harvardu tiež často používa.

Väčšina počítačov však používa architektúru von Neumanna a používa vyrovnávaciu pamäť CPU na dosiahnutie prekrývania.

pôvod

Práca vykonaná na Harvardskej univerzite v štyridsiatych rokoch pod vedením Howarda Aikena vytvorila originálny počítač založený na štafetách, ktorý sa nazýva Harvard Mark I, čo je termín, z ktorého vychádza koncept architektúry Harvard.

Tento počítač použil na ukladanie údajov a pokynov samostatné pamäťové jednotky. Potom došlo k významnému rozvoju tejto architektúry.

Aiken podporoval použitie samostatných pamätí pre dáta a pre programové inštrukcie, so samostatnými zbernicami pre každú.

Pôvodná architektúra Harvardu obvykle ukladala pokyny o dierovaných páskach a dáta na elektromechanických pultoch.

Ukladanie údajov týchto prvých strojov sa nachádzalo výlučne v centrálnej procesorovej jednotke. Na druhej strane nedali prístup k uloženiu pokynov ako údajov. Operátor musel tieto programy načítať.

Architektúra Harvardu môže spracovávať údaje a vykonávať pokyny súčasne, pretože každá z nich má svoju vlastnú zbernicu adries.

Model

Tento model sa vyznačuje tým, že informačné zbernice a úložisko sú fyzicky oddelené pre dáta a programový kód.

Pretože autobusy pracujú autonómne, je možné získať dáta a programové inštrukcie súčasne, čím sa zvýši rýchlosť oproti návrhu jedinej zbernice.

Preto sa Harvardov model javí ako komplexnejší. Tým, že sa autobusy nezávisle vyhnú prekážke, ktorú vytvára architektúra von Neumanna.

Počítač môže byť rýchlejší pre obvod určitej zložitosti, pretože vyhľadávanie pokynov a prístup k údajom nemusia bojovať za jednu pamäťovú zbernicu.

Ak chcete pracovať, existujú dve adresy pamäte. Preto existuje register pamäte pre strojové inštrukcie a ďalší register pamäte pre dáta.

Na rozdiel od architektúry von Neumanna, ktorá využíva zbernicu na pohyb inštrukcií aj dát v pamäti, architektúra Harvardu používa jednu pamäťovú oblasť pre dáta a druhú pre inštrukcie.

Modifikovaná architektúra Harvardu

V dnešných počítačoch nedochádza k fyzickej dezagregácii oblastí pamäte používaných programami a údajmi. Z tohto dôvodu by sa dalo povedať, že technologicky majú architektúru Von Neumanna.

Upravená architektúra Harvardu však slúži na najlepšie zastúpenie dnešných počítačov.

Aj keď súčasné spracovateľské jednotky zdieľajú pamäť, majú určité prvky, ako napríklad jedinečné pokyny, ktoré bránia tomu, aby sa údaje preplietali s pokynmi. Toto sa nazýva modifikovaná architektúra Harvardu.

Takto modifikovaná architektúra Harvardu má dve samostatné zbernice, jednu pre kód a jednu pre dáta, ale samotná pamäť je fyzicky zdieľaným prvkom.

Kontrolór pamäte je miesto, kde je zmena umiestnená, pretože toto zariadenie je zariadenie, ktoré spracováva pamäť a ako by sa malo používať.

Moderné počítačové návrhy sú podporované modifikovanou architektúrou Harvardu. Používajú sa v mikrokontroléroch a pri digitálnom spracovaní signálu.

Ako funguje architektúra Harvardu?

Architektúra Harvardu obsahuje rôzne oblasti adresy pamäte pre program a pre dáta.

To má za následok schopnosť navrhnúť obvod takým spôsobom, že zbernica a riadiaci obvod môžu byť použité na spracovanie toku informácií z programovej pamäte a samostatný na spracovanie toku informácií do dátovej pamäte.

Použitie samostatných zberníc znamená, že je možné získať a vykonať program bez prerušenia príležitostným prenosom údajov do dátovej pamäte.

Napríklad v jednoduchej verzii tejto architektúry by jednotka obnovy programu mohla byť zaneprázdnená získavaním ďalšej inštrukcie v programovej sekvencii a paralelne vykonávaním operácie prenosu dát, ktorá mohla byť súčasťou predchádzajúcej programovej inštrukcie. ,

Na tejto úrovni má Harvardská architektúra obmedzenia, pretože vo všeobecnosti nie je možné vložiť programový kód do dátovej pamäte a odtiaľ ho vykonať.

Prírastky v architektúre

K jednoduchej forme architektúry Harvardu je možné pridať oveľa komplikovanejšie existujúce varianty.

Bežným doplnkom je pridanie vyrovnávacej pamäte inštrukcií do dátovej zbernice programu, čo umožňuje jednotke vykonávajúcej inštrukcie rýchlejší prístup k nasledujúcemu kroku v programe bez toho, aby sa muselo dostať do tohto kroku, aby sa nemuselo ísť do pomalšej pamäte. programu vždy, keď je to potrebné.

Adresy pamäte

Počítač Harvardskej architektúry má odlišné oblasti inštrukcií a dátových adries: jedna adresa inštrukcie nie je rovnaká oblasť ako dátová adresa jedna.

Inštrukčná adresa by mohla obsahovať dvadsaťštyri-bitovú hodnotu, zatiaľ čo dátová adresa by mohla naznačovať osem-bitový bajt, ktorý nie je súčasťou tejto dvadsaťštyri-bitovej hodnoty.

Pamäťový systém

Pretože existuje samostatná pamäťová oblasť pre inštrukcie a dáta, ktorá oddeľuje signály a pamäťovú pamäť kódu a údajov, umožňuje to súčasný prístup ku každému z pamäťových systémov.

výhoda

- Pri prenose je menšia pravdepodobnosť poškodenia, pretože údaje a pokyny sa prenášajú rôznymi autobusmi.

- Údaje a pokyny sú prístupné rovnakým spôsobom.

- Umožňuje rôznym úložným médiám získať pokyny a údaje. Napríklad môžete vložiť pokyny do lacnej pamäte ROM a údaje do drahej pamäte RAM.

- Obe spomienky môžu využívať rôzne veľkosti buniek, čím efektívne využívajú zdroje.

- Má väčšiu šírku pásma v pamäti, čo sa dá lepšie predvídať samostatnou pamäťou pre inštrukcie a dáta.

Úroveň ochrany

V systémoch, ktoré nemajú jednotku správy pamäte, ponúka ďalšiu úroveň ochrany, pretože údaje nemožno spustiť ako kód, čím sa systém vystavuje mnohým problémom, ako je napríklad pretečenie vyrovnávacej pamäte.

To je dôvod, prečo je obľúbený u malých vstavaných systémov, ako sú mikrovlnná rúra alebo hodiny.

Vyššia rýchlosť

Architektúra Harvardu dokáže čítať inštrukcie a súčasne rýchlo pristupovať k dátovej pamäti.

Ponúka vyšší výkon, pretože umožňuje súčasné získavanie údajov a inštrukcií uložených v samostatných pamätiach a cestovanie rôznymi autobusmi.

Architektúra Harvardu vo všeobecnosti pomôže počítaču s určitou úrovňou zložitosti bežať rýchlejšie ako architektúra Von Neumann, pokiaľ nie je potrebné zdieľať zdroje medzi kódovou a dátovou pamäťou.

Ak obmedzenia pinov alebo iné faktory vynútia použitie jednej zbernice na prístup k obom pamäťovým priestorom, je pravdepodobné, že tieto výhody budú do značnej miery zrušené.

nevýhody

Väčšia zložitosť a náklady

Problém s architektúrou Harvardu je jeho veľká zložitosť a cena, pretože namiesto jednej dátovej zbernice sú teraz potrebné dve.

Výroba počítačov s dvoma zbernicami je oveľa drahšia a výroba trvá dlhšie. Vyžaduje si to riadiacu jednotku pre dva autobusy, ktorá je zložitejšia, časovo náročnejšia a nákladnejšia na vývoj.

Pre výrobcov to znamená zložitejšiu implementáciu. Vyžaduje si viac kolíkov na CPU, zložitejšiu základnú dosku a duplikovanie RAM čipov, ako aj zložitejší dizajn vyrovnávacej pamäte.

Málo použitia

Architektúra Harvardu sa často nevyužíva, čo sťažuje jej implementáciu. Preto sa zriedka používa mimo CPU.

Táto architektúra sa však niekedy používa v CPU na správu vyrovnávacej pamäte.

Zneužitie pamäte

Ak je v dátovej pamäti voľné miesto, nemožno ho použiť na ukladanie pokynov a naopak.

Konkrétne spomienky, ktoré sú venované každej z nich, sa preto musia pri ich výrobe starostlivo vyvážiť.

Referencie

1. Zoznam rozdielov (2019). Rozdiel medzi Von Neumannovou a Harvardskou architektúrou? Prevzaté z: listdifferences.com.
2. PC Magazine (2019). Definícia: Harvardská architektúra. Prevzaté z: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Harvardská architektúra. Prevzaté z: stroppedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Aký je rozdiel medzi architektúrou Von-Neumann a Harvard? Tipy pre mikrokontroléry. Prevzaté z: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, bezplatná encyklopédia (2019). Harvardská architektúra. Prevzaté z: en.wikipedia.org.
6. The Crazy Programmer (2019). Rozdiel medzi Von Neumannovou a Harvardskou architektúrou. Prevzaté z: thecrazyprogrammer.com.