ГАРВАРДСКАЯ АРХИТЕКТУРА: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, МОДЕЛЬ, КАК ЭТО РАБОТАЕТ - ТЕХНОЛОГИЯ - 2024

Гарварда архитектура является конфигурацией компьютера , в котором данные и инструкция программы расположены в отдельных ячейках памяти, которые могут быть решены независимо друг от друга.

То есть это термин, используемый для компьютерной системы, которая содержит две отдельные области: для команд или инструкций и для данных. Следовательно, основная функция этой архитектуры - хранить данные физически разделенными, обеспечивая разные пути прохождения сигналов для инструкций и данных.

Источник: от Nessa los - собственная работа, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

В этой архитектуре формат и носители этих двух сегментов системы могут быть неодинаковыми, поскольку эти две части состоят из двух отдельных структур.

Некоторые примеры архитектур Гарварда включают ранние компьютерные системы, в которых программные инструкции могли быть на одном носителе, например, на перфокартах, а сохраненные данные могли быть на другом носителе, например, на магнитных лентах.

Приложения

Этот тип архитектуры имеет широкое применение в продуктах для обработки видео и аудио. С каждым инструментом для обработки видео и аудио можно увидеть рисунок архитектуры Гарварда.

Процессоры Analog Devices Blackfin - это именно то устройство, в котором он нашел свое основное применение. В других продуктах на базе электронных микросхем также широко используется гарвардская архитектура.

Однако большинство компьютеров используют архитектуру фон Неймана и используют кеш-память ЦП для достижения перекрытия.

происхождения

Работа, проделанная в Гарвардском университете в 1940-х годах под руководством Говарда Эйкена, позволила создать оригинальный релейный компьютер, названный Harvard Mark I, что является термином, из которого возникла концепция архитектуры Гарварда.

Этот компьютер использовал отдельные блоки памяти для хранения данных и инструкций. Затем произошли значительные изменения в этой архитектуре.

Айкен поощрял использование отдельной памяти для данных и программных инструкций, с отдельными шинами для каждой.

Первоначальная архитектура Гарварда обычно хранила инструкции на перфолентах и ​​данные на электромеханических счетчиках.

Хранение данных на этих ранних машинах полностью находилось в центральном процессоре. С другой стороны, они не давали доступа к хранению инструкций в виде данных. Оператор должен был загрузить программы.

Гарвардская архитектура может обрабатывать данные и выполнять инструкции одновременно, поскольку каждая из них имеет собственную адресную шину.

Модель

Эта модель отличается тем, что информационные шины и хранилище физически разделены для данных и программного кода.

Поскольку шины работают автономно, данные и программные инструкции могут быть получены одновременно, что повышает скорость по сравнению с конструкцией с одной шиной.

Таким образом, модель Гарварда оказывается более сложной. Тем не менее, независимость автобусов позволяет избежать узких мест, создаваемых архитектурой фон Неймана.

Компьютер может быть быстрее для схемы определенной сложности, потому что поиск инструкций и доступ к данным не должны бороться за единственную шину памяти.

Для работы есть два адреса памяти. Следовательно, есть регистр памяти для машинных команд и другой регистр памяти для данных.

В отличие от архитектуры фон Неймана, которая использует шину для перемещения как инструкций, так и данных в памяти, архитектура Гарварда использует одну область памяти для данных, а другую - для инструкций.

Модифицированная Гарвардская архитектура

В современных компьютерах нет физического разделения областей памяти, используемых программами и данными. По этой причине можно сказать, что технологически они имеют архитектуру фон Неймана.

Однако модифицированная гарвардская архитектура наилучшим образом отражает современные компьютеры.

Несмотря на то, что современные процессоры совместно используют память, в них есть определенные элементы, такие как уникальные инструкции, которые предотвращают спутывание данных с инструкциями. Это называется модифицированной гарвардской архитектурой.

Таким образом, модифицированная гарвардская архитектура имеет две отдельные шины, одну для кода и одну для данных, но сама память является физически разделяемым элементом.

Контроллер памяти - это место, где происходит изменение, потому что это устройство является тем, которое обрабатывает память и то, как ее следует использовать.

Современный компьютерный дизайн поддерживается измененной архитектурой Гарварда. Они используются в микроконтроллерах и в цифровой обработке сигналов.

Как устроена гарвардская архитектура?

Гарвардская архитектура имеет разные адресные области памяти для программы и данных.

Это дает возможность спроектировать схему таким образом, чтобы шина и схема управления могли использоваться для обработки потока информации из памяти программ, а отдельная схема - для обработки потока информации в память данных.

Использование отдельных шин означает, что программа может извлекаться и выполняться без прерывания из-за случайной передачи данных в память данных.

Например, в простой версии этой архитектуры блок восстановления программы может быть занят извлечением следующей инструкции в программной последовательности и параллельным выполнением операции передачи данных, которая могла бы быть частью предыдущей программной инструкции. ,

На этом уровне гарвардская архитектура имеет ограничение, поскольку обычно невозможно поместить программный код в память данных и выполнить его оттуда.

Дополнения в архитектуре

К простой форме гарвардской архитектуры можно добавить множество более сложных существующих вариантов.

Распространенным дополнением является добавление кэша инструкций к шине данных программы, что позволяет блоку выполнения инструкций более быстрый доступ к следующему шагу в программе без необходимости переходить к более медленной памяти, чтобы перейти к этому шагу. программы каждый раз, когда это необходимо.

Адреса памяти

Компьютер с гарвардской архитектурой имеет разные области адресов инструкций и данных: адрес инструкции один не совпадает с областью адреса данных один.

Первый адрес инструкции может содержать 24-битное значение, а первый адрес данных может указывать на восьмибитовый байт, который не является частью этого 24-битового значения.

Система памяти

Поскольку существует отдельная область памяти для инструкций и данных, разделяющая как сигналы, так и память, в которой хранятся код и данные, это позволяет получить доступ к каждой из систем памяти одновременно.

преимущество

- При передаче меньше вероятность повреждения, так как данные и инструкции передаются по разным шинам.

- Данные и инструкции доступны таким же образом.

- Позволяет использовать разные носители для хранения инструкций и данных. Например, вы можете поместить инструкции в дешевое ПЗУ, а данные - в дорогостоящее ОЗУ.

- В двух запоминающих устройствах могут использоваться ячейки разного размера, что позволяет эффективно использовать ресурсы.

- Он имеет большую пропускную способность памяти, которая более предсказуема, поскольку имеет отдельную память для инструкций и данных.

Уровень защиты

В системах, не имеющих блока управления памятью, он предлагает дополнительный уровень защиты, поскольку данные не могут быть запущены как код, что может подвергнуть систему множеству проблем, таких как переполнение буфера.

Вот почему он популярен в небольших встроенных системах, таких как микроволновая печь или часы.

Более высокая скорость

Гарвардская архитектура позволяет читать инструкции, а также получать доступ к памяти данных одновременно с высокой скоростью.

Он предлагает более высокую производительность, поскольку позволяет одновременно получать данные и инструкции, которые хранятся в отдельных запоминающих устройствах и перемещаются по разным шинам.

Гарвардская архитектура обычно помогает компьютеру с определенным уровнем сложности работать быстрее, чем архитектура фон Неймана, при условии, что нет необходимости разделять ресурсы между кодом и памятью данных.

Если ограничения выводов или другие факторы вынуждают использовать одну шину для доступа к обоим пространствам памяти, эти преимущества, вероятно, будут в значительной степени сведены на нет.

Недостатки

Большая сложность и стоимость

Проблема с архитектурой Гарварда заключается в ее большой сложности и стоимости, потому что вместо одной шины данных теперь нужны две.

Производство компьютера с двумя шинами намного дороже и занимает больше времени. Требуется блок управления для двух автобусов, разработка которого более сложная, трудоемкая и дорогая.

Это означает более сложную реализацию для производителей. Для этого требуется больше контактов на процессоре, более сложная материнская плата и необходимость дублировать микросхемы ОЗУ, а также более сложная конструкция кеша.

Мало пользы

Гарвардская архитектура широко не используется, что затрудняет ее реализацию. Вот почему он редко используется вне процессора.

Однако эта архитектура иногда используется в ЦП для управления его кешами.

Неправильное использование пространства памяти

Когда в памяти данных есть свободное место, его нельзя использовать для хранения инструкций, и наоборот.

Поэтому конкретные воспоминания, посвященные каждому из них, должны быть тщательно сбалансированы при их изготовлении.

Ссылки

1. Перечислите различия (2019). Разница между фон Нейманом и гарвардской архитектурой? Взято с: listdifferences.com.
2. Журнал ПК (2019). Определение: Гарвардская архитектура. Взято с: pcmag.com.
3. Техопедия (2019). Гарвардская архитектура. Взято с: потолокpedia.com.
4. Скотт Торнтон (2018). В чем разница между архитектурой фон-Неймана и Гарварда? Советы по микроконтроллеру. Взято с: microcontrollertips.com.
5. Википедия, бесплатная энциклопедия (2019). Гарвардская архитектура. Взято с: en.wikipedia.org.
6. Сумасшедший программист (2019). Разница между фон Нейманом и Гарвардской архитектурой. Взято с: thecrazyprogrammer.com.