ХАРВАРДСКА АРХИТЕКТУРА: ПРОИЗХОД, МОДЕЛ, КАК РАБОТИ - ТЕХНОЛОГИЯ - 2025

В архитектурата Харвард е конфигурацията на компютъра, в който данните и указанията на програмата се намират в отделни клетки на паметта, които могат да бъдат разгледани поотделно.

Тоест, това е терминът, използван за компютърна система, който съдържа две отделни области: за команди или инструкции и за данни. Следователно, основната функция на тази архитектура е да съхранява данните физически разделени, осигурявайки различни сигнални пътища за инструкции и данни.

Източник: От Nessa los - Собствена работа, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

В тази архитектура и форматът, и носителите на тези два сегмента на системата могат да бъдат нееднакви, тъй като двете части са съставени от две отделни структури.

Някои примери за архитектури на Харвард включват ранни компютърни системи, където програмните инструкции могат да бъдат на един носител, например на перфокарти, а съхраняваните данни могат да бъдат на друг носител, например, на магнитни ленти.

Приложения

Този тип архитектура има широко приложение в продуктите за обработка на видео и аудио. С всеки инструмент за обработка на видео и аудио може да се види фигурата на Харвардската архитектура.

Аналогови устройства Процесорите Blackfin са конкретното устройство, където то намери своето основно приложение. В други продукти, базирани на електронни чипове, Харвардската архитектура също е широко използвана.

Въпреки това, повечето компютри използват архитектурата на фон Нейман и използват кешове на процесора, за да постигнат припокриване.

произход

Работата, извършена в Харвардския университет през 40-те години под ръководството на Хауърд Айкен, създава оригинален релейно базиран компютър, наречен Harvard Mark I, което е терминът, от който възниква концепцията за харвардската архитектура.

Този компютър използва отделни единици памет за съхранение на данни и инструкции. Тогава има значително развитие с тази архитектура.

Aiken насърчи използването на отделни памет за данни и за инструкции за програмата, с отделни шини за всяка.

Оригиналната харвардска архитектура обикновено съхранява инструкции за перфорирани ленти и данни за електромеханични броячи.

Съхраняването на данни на тези ранни машини е изцяло в рамките на централния процесор. От друга страна, те не предоставиха достъп до инструкциите, които да се съхраняват като данни. Оператор трябваше да зареди програмите.

Харвардска архитектура може да обработва данни и да изпълнява инструкции едновременно, тъй като всеки от тях има собствена адресна шина.

Модел

Този модел се характеризира с това, че информационните шини и съхранението са физически разделени за данните и програмния код.

Тъй като шините работят автономно, данните и програмните инструкции могат да бъдат получени едновременно, като по този начин се подобри скоростта в сравнение с дизайна на единичната шина.

Следователно моделът от Харвард се оказва по-сложен. Независимо от това, наличието на автобуси независимо избягва затрудненията, произведени от архитектурата на фон Нойман.

Компютърът може да бъде по-бърз за схема с определена сложност, тъй като търсенето на инструкции и достъп до данни не трябва да се бори за една шина памет.

За работа има два адреса на паметта. Следователно има регистър на паметта за инструкциите на машината и друг регистър на паметта за данни.

За разлика от архитектурата на фон Нойман, която използва шина за преместване както на инструкции, така и на данни в паметта, харвардската архитектура използва една област памет за данни и друга за инструкции.

Модифицирана архитектура на Харвард

В съвременните компютри няма физическо разпадане на областите памет, използвани от програми и данни. Поради тази причина може да се каже, че технологично те имат архитектура на фон Нойман.

Въпреки това модифицираната харвардска архитектура служи за най-доброто представяне на съвременните компютри.

Въпреки че настоящите обработващи звена споделят памет, те имат определени елементи, като например уникални инструкции, които не позволяват на данните да се заплитат с инструкции. Това се нарича модифицирана харвардска архитектура.

По този начин модифицираната харвардска архитектура има две отделни шини, една за код и една за данни, но самата памет е физически споделен елемент.

Контролерът на паметта е мястото, където седи промяната, защото това устройство е това, което обработва паметта и как трябва да се използва.

Съвременните компютърни дизайни се поддържат от модифицираната архитектура на Харвард. Използват се в микроконтролери и в цифрова обработка на сигнали.

Как работи архитектурата на Харвард?

Харвардската архитектура има различни области на паметта за програмата и за данните.

Това води до възможността да се проектира схема по такъв начин, че шина и управляваща верига да могат да се използват за обработка на потока информация от паметта на програмата и отделна за обработка на потока информация към паметта на данните.

Използването на отделни шини означава, че е възможно програма да бъде извлечена и изпълнена, без да бъде прекъсвана от случайното прехвърляне на данни в паметта на данните.

Например, в опростена версия на тази архитектура, модулът за възстановяване на програмата може да бъде зает с извличането на следващата инструкция в програмната последователност и паралелно извършване на операция за пренос на данни, която би могла да бъде част от предишната инструкция за програмата., На това ниво архитектурата на Харвард има ограничение, тъй като по принцип не е възможно да поставите програмния код в паметта на данните и да го изпълните оттам.

Допълнения в архитектурата

Много по-сложни съществуващи варианти могат да се добавят към простата форма на харвардската архитектура.

Често срещано допълнение е добавянето на кеш на инструкции към шината с данни на програмата, което позволява на устройството за изпълнение на инструкции по-бърз достъп до следващата стъпка в програмата, без да се налага да преминава към по-бавна памет, за да стигне до стъпката. на програмата всеки път, когато се изисква.

Адреси на паметта

Компютърът за архитектура в Харвард има различни области на инструкции и адрес на данни: адресът на инструкция един не е същата област като адрес за данни.

Адресът на инструкцията може да съдържа двадесет и четири битова стойност, докато адресът на данните един може да посочва осем битов байт, който не е част от тази двадесет и четири битова стойност.

Система памет

Тъй като има отделна зона за памет за инструкции и данни, разделяща както сигналите, така и запаметяването на паметта на кода и данните, това прави възможно едновременния достъп до всяка от паметните системи.

предимство

- Има по-малък шанс за корупция при предаването, тъй като данните и инструкциите се прехвърлят чрез различни автобуси.

- Достъп до данни и инструкции се осъществява по същия начин.

- Разрешава на различни носители за съхранение за инструкции и данни. Например, можете да поставите инструкциите в евтин ROM, а данните в скъпа RAM.

- Двете спомени могат да използват различни размери на клетките, като по този начин ефективно използват ресурси.

- Има по-голяма честотна лента на паметта, която е по-предвидима, като има отделни памет за инструкции и данни.

Ниво на защита

В системи, които нямат устройство за управление на паметта, тя предлага допълнително ниво на защита, тъй като данните не могат да бъдат стартирани като код, излагайки системата на множество проблеми, като например препълване на буфера.

Ето защо той е популярен с малки вградени системи, като микровълновата или часовника.

По-висока скорост

Харвардската архитектура може да чете инструкция и също така да получава достъп до паметта на данните едновременно с бърза скорост.

Той предлага по-голяма производителност, тъй като позволява едновременно получаване на данни и инструкции да се съхраняват в отделни спомени и да пътуват през различни автобуси.

Харвардската архитектура обикновено помага на компютър с определено ниво на сложност да работи по-бързо от Von Neumann архитектура, стига да не е необходимо да се споделят ресурси между паметта на кода и данните.

Ако ограниченията на щифтове или други фактори принуждават използването на една шина за достъп до двете пространства на паметта, тези ползи вероятно ще бъдат до голяма степен обезсилени.

Недостатъци

По-голяма сложност и цена

Проблемът с архитектурата на Харвард е голямата му сложност и цена, защото вместо една шина за данни вече са необходими две.

Изработването на двубусов компютър е много по-скъпо и отнема повече време за производството. Той изисква управляващ блок за два автобуса, което е по-сложно и отнема време и е скъпо за разработване.

Това означава по-сложно изпълнение за производителите. Това изисква повече пинове на процесора, по-сложна дънна платка и налагане на дублиране на RAM чипове, както и по-сложен дизайн на кеша.

Малка полза

Харвардската архитектура не се използва широко, което затруднява прилагането. Ето защо той рядко се използва извън процесора.

Тази архитектура обаче понякога се използва в процесора за управление на кешовете му.

Злоупотреба с памет

Когато има свободно място в паметта на данните, то не може да се използва за съхранение на инструкции и обратно.

Следователно, конкретните спомени, които са посветени на всеки от тях, трябва да бъдат внимателно балансирани при производството им.

Препратки

1. Списък на разликите (2019). Разлика между Фон Нойман и Харвардска архитектура? Взета от: listdifferences.com.
2. PC Magazine (2019). Определение за: Харвардска архитектура. Взета от: pcmag.com.
3. Техопедия (2019). Харвардска архитектура. Взета от: roofpedia.com.
4. Скот Торнтън (2018). Каква е разликата между архитектурите Фон-Нойман и Харвард? Съвети за микроконтролера. Взета от: microcontrollertips.com.
5. Уикипедия, безплатната енциклопедия (2019). Харвардска архитектура. Взета от: en.wikipedia.org.
6. Лудият програмист (2019). Разлика между Фон Нойман и Харвардска архитектура. Взета от: thecrazyprogrammer.com.