HARVARDI ÉPÍTÉSZET: EREDETE, MODELLJE, MŰKÖDÉSE - TECHNOLÓGIA - 2025

A Harvard architektúra a számítógép olyan konfigurációja, amelyben a program adatai és utasításai külön memória cellákban vannak elhelyezve, amelyek függetlenül kezelhetők.

Vagyis egy számítógépes rendszernél ez a kifejezés két különálló területet tartalmaz: parancsok vagy utasítások és adatok számára. Ezért ennek az architektúrának a fő funkciója az adatok fizikailag elválasztott tárolása, különféle jelútvonalak biztosítása az utasítások és az adatok számára.

Forrás: Nessa los-tól - Saját munka, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

Ebben az építészetben mind a rendszer két szegmensének formátuma, mind adathordozója egyenlőtlen lehet, mivel a két rész két különálló struktúrából áll.

A Harvard architektúrájának néhány példája a korai számítógépes rendszereket foglalja magában, ahol a program utasításai lehetnek egy adathordozón, például lyukasztó kártyákon, és a tárolt adatok egy másik adathordozón lehetnek, például a mágnesszalagokon.

Alkalmazások

Az ilyen típusú architektúra széles körben alkalmazható a video- és audiofeldolgozó termékekben. A videó és audió feldolgozására szolgáló minden eszköznél látható a Harvard-építészet alakja.

Analóg eszközök A blackfin processzorok az az eszköz, amelyben főként használják. Más elektronikus chip alapú termékekben a Harvard architektúráját szintén széles körben használják.

A legtöbb számítógép azonban a von Neumann architektúrát használja és CPU gyorsítótárakat használ az átfedések eléréséhez.

Eredet

A Harvard Egyetemen az 1940-es években Howard Aiken vezetésével elvégzett munka létrehozott egy eredeti relé alapú számítógépet, az úgynevezett Harvard Mark I-t, amely a Harvard építészetének fogalma.

Ez a számítógép külön memóriaegységeket használt az adatok és utasítások tárolására. Akkor ez az építészet jelentős fejlődésen ment keresztül.

Aiken arra ösztönözte, hogy külön memóriákat használjon az adatokhoz és a program utasításaihoz, külön-külön buszokkal.

Az eredeti Harvard építészet tipikusan utasításokat tárolt a lyukasztott szalagokról és az elektromechanikus számlálók adatait.

Ezen korai gépek adattárolása teljes egészében a központi feldolgozó egységben volt. Másrészt nem adtak hozzáférést az utasításoknak adatokként történő tárolásához. Az operátornak betöltenie kellett a programokat.

A Harvardi architektúra képes adatok feldolgozására és utasítások végrehajtására egyidejűleg, mert mindegyiknek megvan a saját címsora.

Modell

Ezt a modellt az jellemzi, hogy az információs buszok és a tárolóeszközök fizikailag el vannak választva az adatok és a programkód számára.

Mivel a buszok autonóm módon működnek, adatok és program utasítások egyidejűleg is beszerezhetők, ezáltal javítva a sebességet az egyetlen busz kialakításánál.

Ezért a Harvard-modell bonyolultabbnak bizonyul. A buszok önálló megléte azonban elkerüli a von Neumann építészet által létrehozott szűk keresztmetszetet.

A számítógép gyorsabb lehet egy bizonyos bonyolultságú áramkörnél, mivel az utasítások kereséséhez és az adatok eléréséhez nem kell egyetlen memória buszért küzdenie.

A működéshez két memóriacím van. Ezért van egy memória regiszter a gép utasításaihoz és egy másik memória regiszter az adatokhoz.

Ellentétben a von Neumann architektúrával, amely buszt használ az utasítások és az adatok mozgatására a memóriában, a Harvard architektúra az egyik memóriaterületet használja az adatokhoz, a másik az utasításokhoz.

Módosított Harvard Architecture

A mai számítógépekben nincs fizikai bontás a programok és az adatok által használt memóriaterületekre. Ezért mondhatjuk, hogy technológiai szempontból Von Neumann építészettel rendelkeznek.

A módosított Harvard architektúra azonban a legjobban ábrázolja a mai számítógépeket.

Noha a jelenlegi feldolgozó egységek megosztják a memóriát, vannak bizonyos elemei, például az egyedi utasítások, amelyek megakadályozzák az adatokat, hogy az utasításokkal összekeveredjenek. Ezt hívják módosított Harvard építészetnek.

Így a módosított Harvard architektúrának két külön buszja van, egy a kódhoz és egy az adatokhoz, de maga a memória fizikailag megosztott elem.

A memóriavezérlő ott helyezkedik el, ahol a változás található, mert ez az eszköz kezeli a memóriát és hogyan kell használni.

A modern számítógépes terveket a módosított Harvard architektúra támogatja. A mikrokontrollerekben és a digitális jelfeldolgozásban használják.

Hogyan működik a Harvard építészet?

A Harvard architektúrája különféle memóriacímekkel rendelkezik a program és az adatok számára.

Ez azt eredményezi, hogy egy áramkört úgy lehet megtervezni, hogy egy busz és egy vezérlőáramkör felhasználható az információáramlás kezelésére a programmemóriából, és egy különálló áramkör használható az információáramlás az adatmemóriába történő kezelésére.

A különálló buszok használata azt jelenti, hogy a programot úgy lehet visszakeresni és végrehajtani, hogy az megszakad az adatok időnkénti átvitele az adatmemóriába.

Például ennek az architektúranak egy egyszerű változatában a program-helyreállítási egység elfoglalhat a következő utasítás lekérésével a program sorozatban, és ezzel párhuzamosan végrehajthat egy adatátviteli műveletet, amely lehet az előző program utasítás része..

Ezen a szinten a Harvard architektúrája korlátozott, mivel általában nem lehetséges a programkódot az adatmemóriába helyezni és onnan futtatni.

Kiegészítések az építészetben

A Harvard építészet egyszerű formájához még sokkal bonyolultabb létező változat adható hozzá.

Általános kiegészítés egy utasítás-gyorsítótár hozzáadása a program adatsínéhez, amely lehetővé teszi az utasítás-végrehajtó egység számára a gyorsabb hozzáférést a program következő lépéséhez anélkül, hogy lassabb memóriára kellene lépnie a lépéshez a program minden egyes alkalommal, amikor szükséges.

Memóriacímek

A Harvard architektúrájú számítógépnek eltérő utasítások és adatcímek vannak: az utasításcím nem azonos az adatcímmel.

Az utasítás címe tartalmazhat huszonnégy bites értéket, míg az adatcím nyolc bites byte-ot jelenthet, amely nem része ennek a huszonnégy bites értéknek.

Memória rendszer

Mivel az utasítások és az adatok számára külön memória van, amely elválasztja mind a jeleket, mind a kód és az adatok memória tárolását, ez lehetővé teszi az egyes memória rendszerek egyidejű hozzáférését.

Előny

- Kevesebb esély van a korrupcióra az átvitel során, mivel az adatokat és utasításokat különböző buszokon továbbítják.

- Az adatokhoz és az utasításokhoz ugyanúgy hozzáférnek.

- Lehetővé teszi a különféle adathordozók számára az utasításokat és az adatokat. Például az utasításokat olcsó ROM-ba helyezheti, az adatokat pedig drága RAM-ba.

- A két memória különféle méretű cellákat használhat, ezáltal hatékonyan kihasználva az erőforrásokat.

- Nagyobb memória sávszélességgel rendelkezik, ami kiszámíthatóbb, ha külön memóriák vannak az utasítások és az adatok számára.

Védettség

Rendszereken, amelyek nem rendelkeznek memóriakezelő egységgel, további szintű védelmet kínál, mivel az adatok nem indíthatók el kódként, és a rendszer számos problémát okozhat, például puffer túlcsordulást.

Ezért népszerű a beágyazott kis rendszereknél, például a mikrohullámú sütő vagy az óra.

Nagyobb sebesség

A Harvard architektúrája képes utasításokat olvasni és egyidejűleg gyors hozzáférést biztosít az adatmemóriához.

Nagyobb teljesítményt nyújt, mivel lehetővé teszi az adatok és utasítások egyidejű megszerzését külön memóriákban történő tárolásra és a különböző buszokon történő utazásra.

A Harvard architektúrája általában segít egy bizonyos bonyolultságú számítógépen gyorsabban futni, mint a Von Neumann architektúra, mindaddig, amíg nincs szükség az erőforrások megosztására a kód és az adatmemóriák között.

Ha a tűs korlátozások vagy más tényezők kényszerítik egyetlen busz használatát mindkét memóriaterület elérésére, akkor ezek az előnyök valószínűleg nagymértékben eltűnnek.

hátrányok

Nagyobb bonyolultság és költség

A Harvard architektúrájának problémája a nagy bonyolultsága és költsége, mivel egy adatsín helyett most kettőre van szükség.

A két buszos számítógép előállítása sokkal drágább, és a gyártás hosszabb ideig tart. Két busz vezérlőegységét igényli, amely bonyolultabb, időigényes és drága fejlesztése szükséges.

Ez összetettebb megvalósítást jelent a gyártók számára. Több érintésre van szüksége a CPU-n, egy összetettebb alaplapon és a RAM chipek másolásához, valamint a bonyolultabb gyorsítótár-kialakításhoz.

Kevés felhasználás

A Harvard építészetét nem széles körben használják, ami megnehezíti a megvalósítását. Ez az oka annak, hogy a CPU-n kívül ritkán használják.

Ezt az architektúrát azonban a CPU-n belül gyakran használják a gyorsítótárak kezelésére.

A memória helytelen felhasználása

Ha van szabad hely az adatmemóriában, akkor az nem használható utasítások tárolására és fordítva.

Ezért az egyes emlékeknek, amelyeket mindegyiknek szentelnek, gondosan kiegyensúlyozottnak kell lenniük gyártásuk során.

Irodalom

1. Lista különbségek (2019). Különbség a Von Neumann és a Harvard Architecture között? Feltöltve: listdifferences.com.
2. PC Magazine (2019). Meghatározása: Harvard építészet. Forrás: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Harvard építészet. Feltöltve: roofpedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Mi a különbség a Von-Neumann és a Harvard architektúrák között? Mikrovezérlő tippek. Forrás: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, a szabad enciklopédia (2019). Harvardi építészet. Forrás: en.wikipedia.org.
6. Őrült programozó (2019). Különbség Von Neumann és a Harvard Architecture között. Forrás: thecrazyprogrammer.com.