HARVARDIN ARKKITEHTUURI: ALKUPERÄ, MALLI, MITEN SE TOIMII - TEKNIIKKA - 2026

Harvard arkkitehtuuri on kokoonpano tietokoneen, jossa tiedot ja ohjeet ohjelman sijaitsevat erillisissä soluissa muistia, joita voidaan käsitellä itsenäisesti.

Toisin sanoen sitä käytetään tietokonejärjestelmään, joka sisältää kaksi erillistä aluetta: komennoille tai ohjeille ja tiedolle. Siksi tämän arkkitehtuurin päätoiminto on tallentaa data fyysisesti erotettuna tarjoamalla eri signaalipolut ohjeille ja datalle.

Lähde: Lähettäjä Nessa los - Oma työ, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

Tässä arkkitehtuurissa sekä näiden kahden järjestelmän segmentin muoto että media voivat olla epätasa-arvoisia, koska nämä kaksi osaa muodostuu kahdesta erillisestä rakenteesta.

Joitakin esimerkkejä Harvardin arkkitehtuureista ovat varhaiset tietokonejärjestelmät, joissa ohjelmaohjeet voisivat olla yhdellä tallennusvälineellä, esimerkiksi rei'ityskorteilla, ja tallennetut tiedot voivat olla toisella välineellä, esimerkiksi magneettinauhoilla.

Sovellukset

Tämän tyyppisellä arkkitehtuurilla on laaja sovellus video- ja äänenkäsittelytuotteisiin. Jokaisen videon ja äänen käsittelyprosessin avulla voidaan nähdä Harvardin arkkitehtuurin hahmo.

Analogiset laitteet Blackfin-prosessorit ovat erityinen laite, jolle se on löytänyt pääkäytön. Muissa elektronisissa sirupohjaisissa tuotteissa Harvard-arkkitehtuuria käytetään myös laajasti.

Useimmat tietokoneet kuitenkin käyttävät von Neumann -arkkitehtuuria ja käyttävät CPU-välimuiskejä päällekkäisyyden saavuttamiseksi.

alkuperä

Harvardin yliopistossa 1940-luvulla Howard Aikenin johdolla tehty työ loi alkuperäisen välityspohjaisen tietokoneen, nimeltään Harvard Mark I, joka on termi, josta Harvardin arkkitehtuurin käsite syntyi.

Tämä tietokone käytti erillisiä muistiyksiköitä tietojen ja ohjeiden tallentamiseen. Sitten tässä arkkitehtuurissa on tapahtunut merkittävää kehitystä.

Aiken rohkaisi käyttämään erillisiä muistoja datalle ja ohjelmaohjeille erillisillä väylillä jokaiselle.

Alkuperäinen Harvard-arkkitehtuuri tallensi tyypillisesti ohjeita rei'itetyille nauhoille ja tietoja sähkömekaanisille laskureille.

Näiden varhaisten koneiden tietojen tallennus oli kokonaan keskusyksikössä. Toisaalta he eivät antaneet pääsyä ohjeiden tallentamiseen tiedoksi. Operaattorin piti ladata ohjelmat.

Harvard-arkkitehtuuri voi käsitellä dataa ja suorittaa ohjeita samanaikaisesti, koska jokaisella niistä on oma osoiteväylä.

Malli

Tämä malli on tunnettu siitä, että tietoväylät ja tallennustila on fyysisesti erotettu dataa ja ohjelmakoodia varten.

Koska väylät toimivat itsenäisesti, data ja ohjelmaohjeet voidaan saada samanaikaisesti, mikä parantaa nopeutta yhden väylän suunnittelussa.

Siksi Harvardin malli osoittautuu monimutkaisemmaksi. Bussien itsenäinen omistaminen välttää kuitenkin von Neumann -arkkitehtuurin tuottaman pullonkaulan.

Tietokone voi olla nopeampi tietyn monimutkaisuuden piirille, koska ohjeiden etsiminen ja tietojen käyttö ei tarvitse taistella yhdestä muistiväylästä.

Työskennellä on kaksi muistiosoitetta. Siksi on olemassa muistirekisteri koneohjeita varten ja toinen muistirekisteri dataa varten.

Toisin kuin von Neumann -arkkitehtuuri, joka käyttää väylää sekä ohjeiden että datan siirtämiseen muistiin, Harvard-arkkitehtuuri käyttää yhtä muistialuetta tiedoille ja toista ohjeille.

Muokattu Harvardin arkkitehtuuri

Nykypäivän tietokoneissa ei ole fyysistä erittelyä ohjelmien ja datan käyttämille muistialueille. Tästä syystä voitaisiin sanoa, että teknisesti heillä on Von Neumann -arkkitehtuuri.

Muunnettu Harvard-arkkitehtuuri kuitenkin edustaa parhaiten nykypäivän tietokoneita.

Vaikka nykyisillä prosessointiyksiköillä on yhteinen muisti, niissä on tiettyjä elementtejä, kuten ainutlaatuisia ohjeita, jotka estävät tietoja takertumasta ohjeisiin. Tätä kutsutaan muutetuksi Harvard-arkkitehtuuriksi.

Siten muokatussa Harvard-arkkitehtuurissa on kaksi erillistä väylää, yksi koodille ja toinen datalle, mutta muisti itsessään on fyysisesti jaettu elementti.

Muistin ohjain on siinä, missä muutos istuu, koska tämä laite käsittelee muistia ja miten sitä tulisi käyttää.

Nykyaikaisia ​​tietokonemalleja tukee muokattu Harvard-arkkitehtuuri. Niitä käytetään mikro-ohjaimissa ja digitaalisessa signaalinkäsittelyssä.

Kuinka Harvard-arkkitehtuuri toimii?

Harvard-arkkitehtuurilla on erilaisia ​​muistin osoitealueita ohjelmalle ja datalle.

Tämä johtaa kykyyn suunnitella piiri niin, että väylää ja ohjauspiiriä voidaan käyttää käsittelemään informaatiovirtaa ohjelman muistista ja erillistä käsittelemään informaatiovirtaa datamuistiin.

Erillisten väylien käyttö tarkoittaa, että ohjelma on mahdollista hakea ja suorittaa häiritsemättä satunnaista tiedonsiirtoa datamuistiin.

Esimerkiksi tämän arkkitehtuurin yksinkertaisessa versiossa ohjelman palautusyksikkö voisi olla kiireinen seuraavan käskyn hakemiselle ohjelmajaksossa ja suorittaen samanaikaisesti tiedonsiirtotoimenpiteen, joka olisi voinut olla osa edellistä ohjelmakäskyä..

Tällä tasolla Harvard-arkkitehtuurilla on rajoitus, koska yleensä ei ole mahdollista laittaa ohjelmakoodia datamuistiin ja suorittaa sitä sieltä.

Lisäykset arkkitehtuurissa

Harvardin arkkitehtuurin yksinkertaiseen muotoon voidaan lisätä monia monimutkaisempia olemassa olevia variantteja.

Yleinen lisäys on käskyvälimuistin lisääminen ohjelman dataväylään, mikä antaa käskyjen suorittamisyksikölle nopeamman pääsyn ohjelman seuraavaan vaiheeseen joutumatta siirtymään hitaampaan muistiin päästäksesi vaiheeseen. ohjelmasta aina, kun se vaaditaan.

Muistiosoitteet

Harvardin arkkitehtuuritietokoneella on erilaiset ohje- ja dataosoitealueet: käskyosoite ei ole sama alue kuin dataosoite.

Ohjeetosoite voi sisältää kaksikymmentäneljän bitin arvon, kun taas dataosoite voisi ilmaista kahdeksanbittisen tavun, joka ei ole osa tätä kaksikymmentäneljän bitin arvoa.

Muistijärjestelmä

Koska ohjeita ja dataa varten on erillinen muistialue, joka erottaa sekä signaalit että koodin ja datan muistivarastoinnin, tämä mahdollistaa pääsyn samanaikaisesti kuhunkin muistijärjestelmään.

Etu

- Lähetyksissä on vähemmän mahdollisuuksia korruptioon, koska tiedot ja ohjeet siirretään eri väylien kautta.

- Tietoja ja ohjeita käytetään samalla tavalla.

- Mahdollistaa erilaiset tallennusvälineet ohjeita ja tietoja varten. Voit esimerkiksi laittaa ohjeet halpaan ROM-levyyn ja tiedot kalliin RAM-muistiin.

- Nämä kaksi muistia voivat käyttää eri solukokoja, hyödyntäen siten resursseja tehokkaasti.

- Sillä on suurempi muistin kaistanleveys, mikä on paremmin ennustettavissa, koska siinä on erilliset muistit ohjeita ja dataa varten.

Suojaustaso

Järjestelmissä, joissa ei ole muistinhallintayksikköä, se tarjoaa ylimääräisen suojan, koska tietoja ei voida käynnistää koodina, mikä altistaa järjestelmän lukuisille ongelmille, kuten puskurin ylivuodolle.

Siksi se on suosittu pienissä sulautetuissa järjestelmissä, kuten mikroaaltouuni tai kello.

Suurempi nopeus

Harvard-arkkitehtuuri pystyy lukemaan ohjeita ja pääsemään myös tietomuistiin samanaikaisesti nopeasti.

Se tarjoaa paremman suorituskyvyn, koska se mahdollistaa tietojen ja ohjeiden samanaikaisen hankkimisen, jotta ne voidaan tallentaa erillisiin muistoihin ja kulkea eri väylien kautta.

Harvard-arkkitehtuuri auttaa yleensä tietyn monimutkaisuuden omaavaa tietokonetta toimimaan nopeammin kuin Von Neumann -arkkitehtuuri, kunhan resurssien jakaminen koodin ja tietomuistien välillä ei ole välttämätöntä.

Jos nastarajoitukset tai muut tekijät pakottavat yhden väylän käytön pääsemään molempiin muistipaikkoihin, nämä edut todennäköisesti katoavat suurelta osin.

haitat

Suurempi monimutkaisuus ja kustannukset

Harvard-arkkitehtuurin ongelma on sen suuri monimutkaisuus ja kustannukset, koska yhden dataväylän sijaan tarvitaan nyt kaksi.

Kaksibussitietokoneen tuotanto on paljon kalliimpaa, ja valmistus vie kauemmin. Se vaatii ohjausyksikön kahdelle linja-autolle, joka on monimutkaisempi ja aikaa vievä ja kallis kehittää.

Tämä tarkoittaa valmistajille monimutkaisempaa toteutusta. Se vaatii lisää nastaita CPU: lta, monimutkaisemman emolevyn ja kopioinnin RAM-siruista sekä monimutkaisemman välimuistin suunnittelun.

Vähän käyttöä

Harvardin arkkitehtuuria ei käytetä laajasti, mikä vaikeuttaa sen toteuttamista. Siksi sitä käytetään harvoin prosessorin ulkopuolella.

Tätä arkkitehtuuria käytetään kuitenkin joskus prosessorissa välimuissien hallitsemiseksi.

Muistitilan väärinkäyttö

Kun datamuistissa on vapaata tilaa, sitä ei voida käyttää ohjeiden tallentamiseen ja päinvastoin.

Siksi jokaiselle omistettuja erityisiä muistoja on tasapainotettava valmistuksessa.

Viitteet

1. Luetteloerot (2019). Ero Von Neumannin ja Harvardin arkkitehtuurin välillä? Otettu: listdifferences.com.
2. PC-lehti (2019). Määritelmä: Harvard arkkitehtuuri. Ostettu: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Harvardin arkkitehtuuri. Kuvannut: roofpedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Mitä eroa Von-Neumann- ja Harvard-arkkitehtuureilla on? Mikrokontrollerivinkit. Otettu: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, ilmainen tietosanakirja (2019). Harvardin arkkitehtuuri. Kuvannut: en.wikipedia.org.
6. Hullu ohjelmoija (2019). Ero Von Neumannin ja Harvardin arkkitehtuurin välillä. Kuvannut: thecrazyprogrammer.com.