Harvard Architecture Origin, Model, How It Works

De Harvard -architectuur Het is een computerconfiguratie waarin de gegevens en instructies van een programma worden gevonden in afzonderlijke cellen, die onafhankelijk kunnen worden aangepakt. 

Dat wil zeggen, het is de term die wordt gebruikt voor een computersysteem dat twee afzonderlijke gebieden bevat: voor opdrachten of instructies en voor gegevens. Daarom is de belangrijkste functie van deze architectuur om de gegevens afzonderlijk op te slaan, waardoor verschillende signaalroutes worden geboden voor instructies en gegevens.

Bron: Nessa Los - eigen werk, CC door -SA 3.0, commons.Wikimedia

In deze architectuur kunnen zowel het formaat als de media van deze twee segmenten van het systeem ongelijk zijn, omdat de twee partijen uit twee afzonderlijke structuren bestaan.

Sommige voorbeelden van Harvard -architecturen omvatten de eerste computersystemen, waarbij de programma -instructies in een medium kunnen zijn, bijvoorbeeld in geperforeerde kaarten, en de opgeslagen gegevens kunnen bijvoorbeeld in een ander medium zijn in magnetische tapes.

[TOC]

Toepassingen

Dit type architectuur heeft een brede applicatie in video- en audioverwerkingsproducten. Met elke tool om video en audio te verwerken, kunt u de figuur van de Harvard -architectuur opmerken.

Analoge apparaten Blackfin -processors zijn het specifieke apparaat waar het zijn hoofdgebruik heeft bereikt. In andere producten op basis van elektronische chips wordt Harvard Architecture ook veel gebruikt.

De meeste computers gebruiken echter Von Neumann -architectuur en gebruiken CPU -caches om een ​​overlapping te bereiken.

Oorsprong

Het werk dat in de jaren veertig aan de Harvard University werd gedaan onder leiding van Howard Aiken creëerde een originele op estafette gebaseerde computer, genaamd Harvard Mark I, de term waaruit het concept van Harvard -architectuur ontstaat.

Deze computer gebruikte afzonderlijke geheugeneenheden om gegevens en instructies op te slaan. Dan is er een belangrijke ontwikkeling geweest met deze architectuur.

Aiken vroeg om afzonderlijke herinneringen te gebruiken voor de gegevens en voor de programma -instructies, met afzonderlijke bussen voor elk.

Originele Harvard -architectuur bewaarde meestal de instructies in geperforeerde banden en gegevens in elektromechanische tellers.

De gegevensopslag van deze eerste machines was volledig binnen de centrale verwerkingseenheid. Aan de andere kant gaven ze geen toegang zodat de instructies als gegevens werden opgeslagen. Een operator moest de programma's laden.

Een Harvard -architectuur kan de gegevens verwerken en de instructies tegelijkertijd uitvoeren, omdat elk van hen zijn eigen adresbus heeft.

Model

Dit model wordt gekenmerkt dat informatiebussen en opslag fysiek gescheiden zijn voor gegevens en programmacode.

Kan u van dienst zijn: composietmachines

Omdat bussen autonoom werken, kunnen programmagegevens en instructies tegelijkertijd worden verkregen, waardoor de snelheid op het unieke busontwerp wordt verbeterd.

Daarom is het Harvard -model om een ​​grotere complexiteit te hebben. De bussen hebben echter onafhankelijk het knelpunt vermijden dat wordt geproduceerd door de von Neumann -architectuur.

Een computer kan sneller zijn voor een circuit van een bepaalde complexiteit, omdat het zoeken naar instructies en toegang tot de gegevens niet hoeft te vechten voor een enkele geheugenbus.

Om te werken zijn er twee geheugenadressen. Daarom is er een geheugenrecord voor machine -instructies en een ander geheugenrecord voor gegevens.

In tegenstelling tot Von Neumann -architectuur, die een bus gebruikt om zowel instructies als geheugengegevens te verplaatsen, gebruikt Harvard Architecture een geheugengebied voor gegevens en een andere voor instructies.

Gemodificeerde Harvard -architectuur

In huidige computers is er geen uiteenvallen van geheugengebieden die door programma's en gegevens worden gebruikt. Om deze reden kan worden gezegd dat ze technologisch een von Neumann -architectuur hebben.

Gemodificeerde Harvard -architectuur dient echter om vandaag de huidige computers te vertegenwoordigen.

Hoewel de huidige verwerkingseenheden geheugen delen, hebben ze bepaalde elementen, zoals exclusieve instructies, die de gegevens in de instructies voorkomen. Dit wordt gemodificeerde Harvard -architectuur genoemd.

Aldus heeft de gewijzigde Harvard -architectuur twee afzonderlijke bussen, één voor de code en één voor gegevens, maar geheugen zelf is een fysiek gedeeld element.

De geheugencontroller is waar de verandering is gebaseerd, omdat dit apparaat degene is die het geheugen beheert en hoe het moet worden gebruikt.

Moderne computersontwerpen worden ondersteund door gemodificeerde Harvard -architectuur. Ze worden gebruikt in microcontrollers en digitale signaalverwerking.

Hoe werkt Harvard -architectuur?

Harvard Architecture heeft verschillende geheugenadressen voor het programma en voor gegevens.

Dit resulteert in de mogelijkheid om een ​​circuit op een zodanige manier te ontwerpen dat een bus- en bedieningscircuit kan worden gebruikt om de informatiestroom uit het geheugen van het programma te verwerken en een andere gescheiden om de informatiestroom naar het gegevensgeheugen te verwerken.

Het gebruik van afzonderlijke bussen betekent dat het mogelijk is dat het herstel en de uitvoering van een programma wordt uitgevoerd zonder enige onderbreking door een incidentele overdracht van gegevens naar het gegevensgeheugen.

Kan u van dienst zijn: de 10 elementen van een belangrijkere computer

In een eenvoudige versie van deze architectuur kan de programma -hersteleenheid bijvoorbeeld worden bezet door de volgende instructie in de programma -volgorde te herstellen en parallel een gegevensoverdrachtsbewerking uit te voeren die deel had kunnen uitmaken van de vorige instructie van het programma.

Op dit niveau heeft Harvard -architectuur een beperking, omdat het over het algemeen niet mogelijk is om de programmacode in het gegevensgeheugen te plaatsen en vanaf daar uit te voeren.

Toevoegingen in de architectuur

Aan de eenvoudige vorm van Harvard -architectuur kunnen veel bestaande varianten van grotere complicaties worden toegevoegd.

Een veel voorkomende toevoeging is om een ​​opslag van instructiecache toe te voegen aan de programmagegevensbus, waardoor de uitvoeringseenheid van de instructies voor een snellere toegang tot de volgende stap van het programma kan worden Elke keer dat het nodig is.

Geheugenadressen

Een computer met Harvard -architectuur heeft verschillende gebieden van gegevensadressen en instructies: het adres van instructies is niet hetzelfde gebied als het adres van gegevens.

Het adres dat een van de instructies een waarde van vierentwintig bits kan bevatten, terwijl het adres dat een van de gegevens kan aangeven, kan duiden op een acht -bit byte, die geen deel uitmaakt van die waarde van vierentwintig bits.

Geheugensysteem

Omdat u een apart geheugengebied hebt voor instructies en gegevens, waardoor zowel de signalen als de opslag in code- en gegevensgeheugen worden gescheiden, is dit mogelijk om tegelijkertijd toegang te krijgen tot elk van de geheugensystemen.

Voordelen

- Er zijn minder mogelijkheden voor corruptie in de verzending, omdat de gegevens en instructies via verschillende bussen worden overgedragen.

- De gegevens en instructies zijn op dezelfde manier toegankelijk.

- Hiermee kan verschillende opslagmedia voor instructies en gegevens toestaan. U kunt bijvoorbeeld instructies op een economische ROM en gegevens in een dure RAM plaatsen.

- De twee herinneringen kunnen verschillende celgroottes gebruiken, wat effectief gebruik van middelen maakt.

- Er is een hogere geheugenbandbreedte, die meer voorspelbaar is voor het hebben van afzonderlijke herinneringen voor instructies en gegevens.

Beschermingsniveau

In systemen die geen geheugenbeheer hebben, biedt een extra beschermingsniveau, omdat gegevens niet kunnen worden uitgevoerd alsof het code is, die het systeem aan tal van problemen zou blootstellen, zoals bufferoverloop.

Kan u van dienst zijn: commerciële software

Daarom is het populair bij kleine geïntegreerde systemen, zoals magnetron of klok.

Hogere snelheid

Harvard -architectuur kan een instructie lezen en ook met een snelle snelheid toegang geven tot gegevensgeheugen.

Biedt hogere prestaties, omdat het gelijktijdig kan verkrijgen dat gegevens en instructies kunnen worden opgeslagen in afzonderlijke herinneringen en door verschillende bussen reizen.

Een Harvard -architectuur zal een computer in het algemeen helpen met een bepaald niveau van complexiteit om sneller te functioneren dan een von Neumann -architectuur, op voorwaarde dat het niet nodig is om bronnen te delen tussen gegevensherinneringen en de code.

Als de beperkingen van pennen of andere factoren het gebruik van een enkele bus dwingen om toegang te krijgen tot beide geheugenruimtes, zullen dergelijke voordelen waarschijnlijk grotendeels worden geannuleerd.

Nadelen

Grotere complexiteit en kosten

Het probleem met Harvard -architectuur is de grote complexiteit en kosten omdat, in plaats van een gegevensbus, er nu twee nodig zijn.

De productie van een computer met twee bussen is veel duurder en duurt langer om het te produceren. Het vereist een besturingseenheid voor twee bussen, wat ingewikkelder is en wiens ontwikkeling duur is en meer tijd nodig heeft.

Dit betekent een meer complexe implementatie voor fabrikanten. Het vereist meer pennen op de CPU, een complexer moederbord en het moeten verdubbelen van de RAM -chips, evenals een meer complexe cache -ontwerp.

Weinig nut

Harvard -architectuur wordt niet veel gebruikt, dus het is moeilijker om te implementeren. Daarom wordt het zelden buiten de CPU gebruikt.

Deze architectuur wordt echter soms in de CPU gebruikt om de heuvels te verwerken.

Misbruik van geheugenruimte

Wanneer er vrije ruimte is in het gegevensgeheugen, kan dit niet worden gebruikt om instructies op te slaan en vice versa.

Daarom moeten de specifieke herinneringen die aan elk van hen zijn gewijd, zorgvuldig in evenwicht worden gemaakt in hun productie.

Referenties

1. Lijst verschillen op (2019). Verschil tussen von Neumann en Harvard Architecture? Genomen uit: listDifferences.com.
2. PC Magazine (2019). Definitie van: Harvard Architecture. Genomen van: PCMAG.com.
3. Ravepedia (2019). Harvard -architectuur. Genomen uit: Ravepedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Wat is het verschil tussen von-Neumann en Harvard Architectures? Microcontroller -tips. Genomen uit: Microcontrolertips.com.
5. Wikipedia, The Free Encyclopedia (2019). Harvard -architectuur. Genomen van: in.Wikipedia.borg.
6. The Crazy Programmer (2019). Verschil tussen von Neumann en Harvard Architecture. Uitgevoerd uit: thecrazyprogrammer.com.