HARVARD-ARCHITECTUUR: OORSPRONG, MODEL, HOE HET WERKT - TECHNOLOGIE - 2024

De Harvard-architectuur is een configuratie van de computer waarin de gegevens en instructies van een programma zich in afzonderlijke geheugencellen bevinden, die onafhankelijk kunnen worden geadresseerd.

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 fysiek gescheiden op te slaan, waardoor verschillende signaalpaden voor instructies en gegevens worden geboden.

Bron: Van Nessa los - Eigen werk, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

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

Enkele voorbeelden van Harvard-architecturen zijn vroege computersystemen, waarbij programma-instructies op het ene medium kunnen staan, bijvoorbeeld op ponskaarten, en opgeslagen gegevens op een ander medium kunnen staan, bijvoorbeeld op magnetische banden.

Toepassingen

Dit type architectuur heeft een brede toepassing in video- en audioverwerkingsproducten. Met elke tool om video en audio te verwerken, kan de figuur van de Harvard-architectuur worden gezien.

Analoge apparaten Blackfin-processors zijn het specifieke apparaat waar het zijn belangrijkste gebruik heeft gevonden. In andere op elektronische chips gebaseerde producten wordt de architectuur van Harvard ook veel gebruikt.

De meeste computers gebruiken echter de von Neumann-architectuur en gebruiken CPU-caches om overlap te bereiken.

Oorsprong

Werk dat in de jaren veertig aan de Harvard University onder leiding van Howard Aiken werd gedaan, creëerde een originele op relais gebaseerde computer, de Harvard Mark I, de term waaruit het concept van de architectuur van Harvard is ontstaan.

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

Aiken moedigde het gebruik van aparte geheugens aan voor data en voor programma-instructies, met aparte bussen voor elk.

De originele Harvard-architectuur bewaarde instructies doorgaans op geperforeerde banden en gegevens op elektromechanische tellers.

De gegevensopslag van deze vroege machines was volledig binnen de centrale verwerkingseenheid. Aan de andere kant gaven ze geen toegang om de instructies als gegevens op te slaan. Een operator moest de programma's laden.

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

Model

Dit model kenmerkt zich doordat de informatiebussen en de opslag fysiek gescheiden zijn voor de data en de programmacode.

Omdat de bussen autonoom werken, kunnen gegevens en programma-instructies tegelijkertijd worden verkregen, waardoor de snelheid ten opzichte van het ontwerp met enkele bus wordt verbeterd.

Daarom blijkt het Harvard-model complexer te zijn. Door de bussen onafhankelijk te hebben, wordt de bottleneck vermeden die wordt veroorzaakt door de von Neumann-architectuur.

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

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

In tegenstelling tot de von Neumann-architectuur, die een bus gebruikt om zowel instructies als gegevens in het geheugen te verplaatsen, gebruikt de architectuur van Harvard één geheugengebied voor gegevens en een ander voor instructies.

Gewijzigde Harvard-architectuur

In de huidige computers is er geen fysieke uitsplitsing van de geheugengebieden die worden gebruikt door programma's en gegevens. Om deze reden zou je kunnen zeggen dat ze technologisch gezien een Von Neumann-architectuur hebben.

De aangepaste architectuur van Harvard is echter de beste weergave van de huidige computers.

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

De gemodificeerde Harvard-architectuur heeft dus twee aparte bussen, één voor code en één voor data, maar het geheugen zelf is een fysiek gedeeld element.

De geheugencontroller is waar de verandering zit, omdat dit apparaat het geheugen is en hoe het moet worden gebruikt.

Moderne computerontwerpen worden ondersteund door de gewijzigde Harvard-architectuur. Ze worden gebruikt in microcontrollers en bij digitale signaalverwerking.

Hoe werkt de architectuur van Harvard?

De Harvard-architectuur heeft verschillende geheugenadresgebieden voor het programma en voor de gegevens.

Dit resulteert in de mogelijkheid om een ​​circuit zo te ontwerpen dat een bus en een stuurcircuit kunnen worden gebruikt om de informatiestroom uit het programmageheugen af ​​te handelen en een aparte om de informatiestroom naar het datageheugen af ​​te handelen.

Door het gebruik van aparte bussen is het mogelijk een programma op te halen en uit te voeren zonder te worden onderbroken door incidentele gegevensoverdracht naar het datageheugen.

In een eenvoudige versie van deze architectuur zou de programmahersteleenheid bijvoorbeeld bezig kunnen zijn met het ophalen van de volgende instructie in de programmasequentie en tegelijkertijd met het uitvoeren van een gegevensoverdrachtoperatie die deel had kunnen uitmaken van de vorige programma-instructie. .

Op dit niveau heeft de architectuur van Harvard een beperking, aangezien het over het algemeen niet mogelijk is om programmacode in het datageheugen te plaatsen en van daaruit uit te voeren.

Toevoegingen in architectuur

Veel meer gecompliceerde bestaande varianten kunnen worden toegevoegd aan de eenvoudige vorm van Harvard-architectuur.

Een veel voorkomende toevoeging is het toevoegen van een instructiecache aan de databus van het programma, waardoor de instructie-uitvoeringseenheid sneller toegang heeft tot de volgende stap in het programma, zonder dat hij naar een langzamer geheugen hoeft te gaan om bij de stap te komen. van het programma elke keer dat het nodig is.

Geheugenadressen

Een computer met een Harvard-architectuur heeft verschillende instructie- en data-adresgebieden: instructie-adres één is niet hetzelfde gebied als data-adres één.

Instructie-adres één kan een vierentwintig-bits waarde bevatten, terwijl data-adres één een acht-bits byte kan aangeven, die geen deel uitmaakt van die vierentwintig-bits waarde.

Geheugensysteem

Aangezien er een apart geheugengebied is voor instructies en gegevens, waarbij zowel de signalen als de geheugenopslag van de code en gegevens worden gescheiden, is het mogelijk om gelijktijdig toegang te krijgen tot elk van de geheugensystemen.

Voordeel

- Er is minder kans op corruptie bij de verzending, aangezien gegevens en instructies via verschillende bussen worden overgedragen.

- Gegevens en instructies worden op dezelfde manier benaderd.

- Staat verschillende opslagmedia toe voor instructies en gegevens. U kunt bijvoorbeeld de instructies in een goedkope ROM plaatsen en de gegevens in dure RAM.

- De twee geheugens kunnen verschillende celgroottes gebruiken, waardoor effectief gebruik wordt gemaakt van bronnen.

- Het heeft een grotere geheugenbandbreedte, die voorspelbaarder is door aparte geheugens voor instructies en gegevens.

Beschermingsniveau

Op systemen die geen geheugenbeheereenheid hebben, biedt het een extra beschermingsniveau, aangezien gegevens niet als code kunnen worden gestart, waardoor het systeem aan talrijke problemen wordt blootgesteld, zoals bufferoverloop.

Daarom is het populair bij kleine embedded systemen, zoals de magnetron of een klok.

Hogere snelheid

De architectuur van Harvard kan een instructie lezen en tegelijkertijd met hoge snelheid toegang krijgen tot het datageheugen.

Het biedt betere prestaties, omdat het het mogelijk maakt gelijktijdig gegevens en instructies op te slaan in afzonderlijke geheugens en door verschillende bussen te reizen.

Een Harvard-architectuur zal in het algemeen een computer met een bepaald niveau van complexiteit helpen sneller te werken dan een Von Neumann-architectuur, zolang het niet nodig is om bronnen te delen tussen code- en datageheugens.

Als pinbeperkingen of andere factoren het gebruik van een enkele bus dwingen om toegang te krijgen tot beide geheugenruimtes, zullen deze voordelen waarschijnlijk grotendeels teniet worden gedaan.

Nadelen

Grotere complexiteit en kosten

Het probleem met de architectuur van Harvard is de grote complexiteit en kosten, want in plaats van één databus zijn er nu twee nodig.

Het maken van een computer met twee bussen is veel duurder en duurt langer. Het vereist een besturingseenheid voor twee bussen, wat ingewikkelder en tijdrovender en duurder is om te ontwikkelen.

Dit betekent een complexere implementatie voor fabrikanten. Het vereist meer pinnen op de CPU, een complexer moederbord en het dupliceren van RAM-chips, evenals een complexer cache-ontwerp.

Weinig gebruik

De architectuur van Harvard wordt niet veel gebruikt, waardoor het moeilijker te implementeren is. Dit is waarom het zelden buiten de CPU wordt gebruikt.

Deze architectuur wordt echter soms binnen de CPU gebruikt om zijn caches te beheren.

Misbruik van geheugenruimte

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

Daarom moeten de specifieke herinneringen die aan elk van hen zijn opgedragen, zorgvuldig worden afgewogen bij de vervaardiging ervan.

Referenties

1. Lijstverschillen (2019). Verschil tussen Von Neumann en Harvard Architecture? Genomen uit: listdifferences.com.
2. PC Magazine (2019). Definitie van: Harvard-architectuur. Genomen van: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Harvard-architectuur. Genomen van: ceilingpedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Wat is het verschil tussen Von-Neumann- en Harvard-architecturen? Microcontroller-tips. Genomen uit: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, de gratis encyclopedie (2019). Harvard-architectuur. Ontleend aan: en.wikipedia.org.
6. De gekke programmeur (2019). Verschil tussen Von Neumann en Harvard Architecture. Genomen uit: thecrazyprogrammer.com.