Origine dell'architettura di Harvard, modello, come funziona

IL Architettura di Harvard È una configurazione del computer in cui i dati e le istruzioni di un programma si trovano in celle separate, che possono essere affrontate in modo indipendente. 

Cioè, è il termine utilizzato per un sistema informatico che contiene due aree separate: per comandi o istruzioni e per i dati. Pertanto, la funzione principale di questa architettura è archiviare i dati separatamente, fornendo percorsi di segnale diversi per istruzioni e dati.

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In questa architettura, sia il formato che i media di questi due segmenti del sistema possono essere disuguali, poiché le due parti sono costituite da due strutture separate.

Alcuni esempi di architetture di Harvard coinvolgono i primi sistemi informatici, in cui le istruzioni del programma potrebbero essere in un mezzo, ad esempio, in schede perforate e i dati memorizzati potrebbero essere in un altro mezzo, ad esempio, in nastri magnetici.

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Applicazioni

Questo tipo di architettura ha un'ampia applicazione nei prodotti di elaborazione audio e audio. Con ogni strumento per elaborare video e audio puoi notare la figura dell'architettura di Harvard.

Dispositivi analogici I processori blackfin sono il dispositivo particolare in cui ha raggiunto il suo uso principale. In altri prodotti basati su chip elettronici, l'architettura di Harvard è anche ampiamente utilizzata.

Tuttavia, la maggior parte dei computer utilizza l'architettura von Neumann e utilizza le cache della CPU per ottenere una sovrapposizione.

Origine

Il lavoro svolto all'Università di Harvard negli anni '40 sotto la guida di Howard Aiken ha creato un computer a base di relè originale, chiamato Harvard Mark I, che è il termine da cui sorge il concetto di architettura di Harvard.

Questo computer ha utilizzato unità di memoria separate per archiviare dati e istruzioni. Poi c'è stato uno sviluppo significativo con questa architettura.

Aiken ha richiesto di utilizzare ricordi separati per i dati e per le istruzioni del programma, con bus separati per ciascuno.

L'architettura di Harvard originale di solito immagazzinava le istruzioni in nastri perforati e dati nei contatori elettromeccanici.

L'archiviazione dei dati di queste prime macchine era totalmente all'interno dell'unità di elaborazione centrale. D'altra parte, non hanno dato accesso in modo che le istruzioni fossero archiviate come dati. Un operatore ha dovuto caricare i programmi.

Un'architettura di Harvard può elaborare i dati ed eseguire le istruzioni contemporaneamente, perché ognuna di esse ha il suo bus di indirizzo.

Modello

Questo modello è caratterizzato dal fatto che i bus informatici e l'archiviazione siano fisicamente separati per i dati e il codice del programma.

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Poiché gli autobus funzionano autonomamente, i dati e le istruzioni del programma possono essere ottenuti contemporaneamente, migliorando così la velocità sulla progettazione unica degli autobus.

Pertanto, il modello di Harvard deve avere una maggiore complessità. Tuttavia, avere gli autobus evitare indipendentemente il collo di bottiglia prodotto dall'architettura von Neumann.

Un computer può essere più veloce per un circuito di una certa complessità, perché la ricerca di istruzioni e l'accesso ai dati non devono lottare per un singolo bus di memoria.

Per lavorare ci sono due indirizzi di memoria. Pertanto, esiste un record di memoria per le istruzioni della macchina e un altro record di memoria per i dati.

A differenza dell'architettura von Neumann, che utilizza un bus per spostare sia le istruzioni che i dati di memoria, Harvard Architecture utilizza un'area di memoria per i dati e un altro per le istruzioni.

Architettura di Harvard modificata

Nei computer attuali non vi è alcuna disintegrazione delle aree di memoria utilizzate da programmi e dati. Per questo motivo si potrebbe dire che tecnologicamente hanno un'architettura von Neumann.

Tuttavia, l'architettura di Harvard modificata serve a rappresentare oggi i computer di oggi.

Sebbene le attuali unità di elaborazione condividano la memoria, hanno alcuni elementi, come le istruzioni esclusive, che impediscono i dati nelle istruzioni. Questo si chiama architettura di Harvard modificata.

Pertanto, l'architettura di Harvard modificata ha due bus separati, uno per il codice e uno per i dati, ma la memoria stessa è un elemento fisicamente condiviso.

Il controller di memoria è dove si basa la modifica, perché questo dispositivo è quello che gestisce la memoria e come dovrebbe essere utilizzato.

I design dei computer moderni sono supportati da Harvard Architecture modificata. Sono utilizzati nei microcontrollori e nell'elaborazione del segnale digitale.

Come funziona l'architettura di Harvard?

Harvard Architecture ha diverse aree di indirizzi di memoria per il programma e per i dati.

Ciò si traduce nella capacità di progettare un circuito in modo tale che un circuito di bus e controllo possa essere utilizzato per gestire il flusso di informazioni dalla memoria del programma e un altro separato per gestire il flusso di informazioni sulla memoria dei dati.

L'uso di bus separati significa che è possibile che il recupero e l'esecuzione di un programma vengano eseguiti senza alcuna interruzione da parte di un trasferimento occasionale di dati alla memoria dei dati.

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Ad esempio, in una versione semplice di questa architettura, l'unità di recupero del programma potrebbe essere occupata recuperando le seguenti istruzioni nella sequenza del programma e in parallelo eseguire un'operazione di trasferimento dei dati che avrebbe potuto far parte delle precedenti istruzioni del programma.

A questo livello, l'architettura di Harvard ha una limitazione, poiché generalmente non è possibile posizionare il codice del programma nella memoria dei dati ed eseguirlo da lì.

Aggiunte in architettura

Alla semplice forma di architettura di Harvard, è possibile aggiungere molte varianti esistenti di maggiori complicazione.

Un'aggiunta comune è quella di aggiungere una memoria della cache delle istruzioni al bus del programma, che consente all'unità di esecuzione delle istruzioni per un accesso più rapido al passaggio successivo del programma, senza dover andare a una memoria più lenta per ottenere il passaggio del programma Ogni volta che è richiesto.

Indirizzi di memoria

Un computer con architettura di Harvard ha diverse aree di indirizzi e istruzioni di dati: l'indirizzo una delle istruzioni non è la stessa area dell'indirizzo uno dei dati.

L'indirizzo una delle istruzioni potrebbe contenere un valore di venti -quattro bit, mentre l'indirizzo uno dei dati potrebbe indicare un byte a otto bit, che non fa parte di quel valore di venti -quattro bit.

Sistema di memoria

Poiché si dispone di un'area di memoria separata per istruzioni e dati, separando sia i segnali che l'archiviazione nella memoria di codice e dati, ciò consente di accedere simultaneamente a ciascuno dei sistemi di memoria.

Vantaggi

- Ci sono meno possibilità di corruzione nella trasmissione, poiché i dati e le istruzioni vengono trasferiti tramite bus diversi.

- I dati e le istruzioni sono accessibili allo stesso modo.

- Consente diversi supporti di archiviazione per istruzioni e dati. Ad esempio, puoi inserire istruzioni su una ROM economica e dati in una RAM costosa.

- Le due memorie possono utilizzare diverse dimensioni delle cellule, il che fa un uso efficace delle risorse.

- C'è una larghezza di banda di memoria più alta, che è più prevedibile per avere ricordi separati per istruzioni e dati.

Livello di protezione

Nei sistemi che non dispongono di un'unità di amministrazione della memoria offre un ulteriore livello di protezione, poiché i dati non possono essere eseguiti come se fosse un codice, il che esporrebbe il sistema a numerosi problemi, come il overflow del buffer.

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Ecco perché è popolare con i piccoli sistemi integrati, come il microonde o l'orologio.

Velocità più alta

Harvard Architecture può leggere un'istruzione e anche accedere alla memoria dei dati contemporaneamente a una velocità rapida.

Offre prestazioni più elevate, poiché consente di memorizzare simultanei dati e istruzioni in ricordi separati e viaggiare attraverso diversi autobus.

Un'architettura di Harvard aiuterà generalmente un computer con un certo livello di complessità per funzionare più velocemente di un'architettura von Neumann, a condizione che non sia necessario condividere le risorse tra i ricordi dei dati e il codice.

Se i limiti di pin o altri fattori costringono l'uso di un singolo bus per accedere a entrambi gli spazi di memoria, è probabile che tali vantaggi vengano annullati in larga misura.

Svantaggi

Maggiore complessità e costo

Il problema con l'architettura di Harvard è la sua grande complessità e costo perché, anziché un bus dati, sono ora necessari due.

La produzione di un computer con due autobus è molto più costosa e richiede più tempo per fabbricarlo. Richiede un'unità di controllo per due autobus, il che è più complicato e il cui sviluppo è costoso e ha bisogno di più tempo.

Ciò significa un'implementazione più complessa per i produttori. Richiede più pin sulla CPU, una scheda madre più complessa e dover raddoppiare i chip RAM, nonché un design della cache più complesso.

Poco uso

L'architettura di Harvard non è usata molto, quindi è più difficile da implementare. Ecco perché viene usato raramente al di fuori della CPU.

Tuttavia, questa architettura viene talvolta utilizzata all'interno della CPU per gestire le sue colline.

Uso improprio dello spazio della memoria

Quando c'è spazio libero nella memoria dei dati, non può essere utilizzato per archiviare istruzioni e viceversa.

Pertanto, i ricordi particolari che sono dedicati a ciascuno di essi devono essere accuratamente bilanciati nella loro produzione.

Riferimenti

1. Elenco le differenze (2019). Differenza tra von Neumann e Harvard Architecture? Tratto da: listWifferences.com.
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4. Scott Thornton (2018). Qual è la differenza tra von-neumann e Harvard Architectures? Suggerimenti per microcontroller. Tratto da: microcontrollertips.com.
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