Какая архитектура используется в современных компьютерах гарвардская или фон неймана
Разница между фон Нейман и Гарвардской архитектуры
Точка сравнения | Гарвард Архитектура | Архитектура фон Неймана |
Соглашение | В гарвардской архитектуре ЦП связан как с памятью данных (RAM), так и с памятью программ (ROM), отдельно. | В архитектуре фон Неймана нет отдельной памяти данных и программ. Вместо этого, одно соединение памяти предоставляется ЦПУ. |
требования к оборудованию | Для этого требуется больше оборудования, поскольку для каждой памяти потребуются отдельные данные и адресная шина. | В отличие от архитектуры Гарварда, для этого требуется меньше оборудования, так как требуется только общая память. |
требования к свободному пространству | Это требует больше места. | Архитектура фон Неймана требует меньше места. |
Скорость исполнения | Скорость выполнения выше, потому что процессор извлекает данные и инструкции одновременно. | Скорость выполнения ниже, поскольку он не может одновременно получать данные и инструкции. |
Использование пространства | Это приводит к неэффективной трате пространства, поскольку, если в памяти данных остается пространство, память инструкций не может использовать пространство памяти данных, и наоборот. | Пространство не тратится впустую, потому что пространство памяти данных может использоваться памятью инструкций и наоборот. |
Применение и функции
Он нашел широкое применение в продуктах для обработки аудио и видео, и с каждым инструментом обработки аудио и видео вы заметите присутствие архитектуры Havard. Процессоры Blackfin от Analog Devices, Inc. - это конкретное устройство, в котором они получили самое широкое применение. В других продуктах на основе электронных чипов также широко используется архитектура Havard.
Состояние памяти
В предыдущей архитектуре мы наблюдали наличие двух воспоминаний. Однако в случае Гарвардский архитектуры, вы не найдете двух памяти и будет одна память. Имеющаяся память сможет выполнять все функции. Да, будет только постоянная память, и эта память будет использоваться для чтения, кодирования, декодирования и хранения данных.
Аспект скорости
Много говорилось о Гарвардский архитектура, но без скорости никакая архитектура не может быть принята. Но в случае архитектуры Havard производители разработали архитектуру таким образом, чтобы она могла обрабатывать данные с гораздо более высокой скоростью. Да, все внимание было уделено тому, чтобы архитектура могла обрабатывать данные с высокой скоростью.
Реализуя ту же формулу, современные ЦП производятся так, чтобы новый ЦП мог работать с гораздо более высокой скоростью, а также мог эффективно обрабатывать данные. Концепция кеш-памяти ЦП также реализуется при разработке архитектуры Гарварда.
Инструкция по обработке фон Неймана и Гарвардской архитектуры
В архитектуре фон Неймана для обработки инструкции для обработки потребуется два тактовых цикла. Процессор извлекает команду из памяти в первом цикле и декодирует ее, а затем данные берутся из памяти во втором цикле. В архитектуре Гарварда процессор может выполнить инструкцию за один цикл, если будут созданы соответствующие стратегии конвейерной обработки.
Что такое архитектура фон Неймана?
Это теоретический дизайн, основанный на концепции компьютеров с хранимой программой, где данные программы и данные инструкций хранятся в одной и той же памяти.
Архитектура была спроектирована известным математиком и физиком Джоном Фон Нейманом в 1945 году. До тех пор, пока концепция компьютерного дизайна фон Неймана не была разработана, компьютерные машины были разработаны для одной заданной цели, которая не имела бы сложности из-за ручной перемотки схемы.
Идея архитектуры Von Neumann заключается в возможности хранить инструкции в памяти вместе с данными, на которых действуют инструкции. Короче говоря, архитектура фон Неймана относится к общей структуре, которой должны следовать аппаратные средства, программирование и данные компьютера.
Архитектура Von Neumann состоит из трех различных компонентов: центрального процессора (CPU), блока памяти и интерфейсов ввода / вывода (I / O). ЦП является сердцем компьютерной системы, состоящей из трех основных компонентов: Арифметического и Логического блока (ALU), блока управления (CU) и регистров.
ALU отвечает за выполнение всех арифметических и логических операций с данными, тогда как блок управления определяет порядок потока команд, которые должны выполняться в программах, путем выдачи управляющих сигналов на оборудование.
Регистры - это, в основном, временные хранилища, в которых хранятся адреса инструкций, которые необходимо выполнить. Блок памяти состоит из ОЗУ, который является основной памятью, используемой для хранения данных программы и инструкций. Интерфейсы ввода / вывода позволяют пользователям общаться с внешним миром, например с устройствами хранения.
Гарвард Архитектура
Гарвардская архитектура не что иное, как своего рода хранилище данных. Когда дело доходит до физического хранения данных, Гарвардская архитектура всегда стояла на первом месте. Хотя эта концепция не нова, архитектура Гарварда получила огромную признательность от всех. Релейный компьютер Harvard Mark I - это термин, из которого впервые возникла концепция архитектуры Гарварда, а затем произошли значительные изменения в этой архитектуре. Основная функция этой архитектуры - разделить физическое хранение данных и предоставить пути прохождения сигналов для инструкций и данных.
Что такое Гарвардская архитектура?
Это компьютерная архитектура с физически раздельными хранилищами и сигнальными путями для программных данных и инструкций. В отличие от архитектуры фон Неймана, в которой используется одна шина для извлечения команд из памяти и передачи данных с одной части компьютера на другую, архитектура Гарварда имеет отдельное пространство памяти для данных и команд.
Обе концепции подобны, за исключением того, как они получают доступ к воспоминаниям. Идея архитектуры Гарварда состоит в том, чтобы разделить память на две части - одну для данных и другую для программ. Термины были основаны на оригинальном ретрансляционном компьютере Гарварда Марк I, который использовал систему, которая позволяла одновременно выполнять как передачу данных, так и передачу и выбор команд.
Реальные компьютерные проекты на самом деле основаны на модифицированной архитектуре Гарварда и обычно используются в микроконтроллерах и DSP (Digital Signal Processing).
Система памяти фон Неймана и Гарвардской архитектуры
Архитектура Von Neumann имеет только одну шину, которая используется как для извлечения команд, так и для передачи данных, и операции должны быть запланированы, потому что они не могут быть выполнены одновременно. С другой стороны, архитектура Гарварда имеет отдельное пространство памяти для инструкций и данных, которые физически разделяют сигналы и память для памяти кода и данных, что, в свою очередь, позволяет одновременно обращаться к каждой из систем памяти.
Резюме фон Неймана против Гарвардской архитектуры
Архитектура фон Неймана похожа на архитектуру Гарварда, за исключением того, что использует одну шину для выполнения как выборки команд, так и передачи данных, поэтому операции должны быть запланированы. С другой стороны, архитектура Гарварда использует два отдельных адреса памяти для данных и инструкций, что позволяет одновременно передавать данные в оба автобуса. Однако сложная архитектура только добавляет стоимости разработки блока управления к более низкой стоимости разработки менее сложной архитектуры фон Неймана, в которой используется единый унифицированный кеш.
Разница между фон Нейманом и гарвардской архитектурой: архитектура фон Неймана была разработана известным физиком и математиком Джоном фон Нейманом в конце 1940-х годов, а архитектура Гарварда была основана на оригинальном релейном компьютере Harvard Mark I.
Оригинальная гарвардская архитектура использовалась для хранения инструкций на перфоленте и данных в электромеханических счетчиках. Архитектура фон Неймана составляет основу современных вычислений и проще в реализации. В этой статье рассматриваются две компьютерные архитектуры в отдельности и объясняется разница между ними.
Если вам понравилась эта статья, подпишитесь на вашу электронную почту для связанных материалов. Благодарю.
CSN Team.
=> ПОСЛЕДУЮЩИЕ США НА INSTAGRAM | FACEBOOK & TWITTER ДЛЯ ПОСЛЕДНЕГО ОБНОВЛЕНИЯ
В качестве недостатка архитектуры фон Неймана можно назвать возможность непреднамеренного нарушения работоспособности системы (программные ошибки) и преднамеренное уничтожение ее работы (вирусные атаки). В Гарвардской архитектуре принципиально различаются два вида памяти микропроцессора:
- память программ (для хранения инструкций микропроцессора);
- память данных (для временного хранения и обработки переменных).
В гарвардской архитектуре принципиально невозможно осуществить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае ошибки программы при работе с данными или атаки третьих лиц. Кроме того, для работы с памятью программ и с памятью данных организуются отдельные шины обмена данными (системные шины), как это показано на структурной схеме, приведенной на рисунке.
Рисунок. Структурная схема гарвардской архитектуры
Эти особенности определили области применения гарвардской архитектуры. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах и в сигнальных процессорах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. В сигнальных процессорах Гарвардская архитектура дополняется применением трехшинного операционного блока микропроцессора. Трехшинная архитектура операционного блока позволяет совместить операции считывания двух операндов с записью результата выполнения команды в оперативную память микропроцессора. Это значительно увеличивает производительность сигнального микропроцессора без увеличения его тактовой частоты.
В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти программ и памяти данных не всегда выполняются одинаковыми. В памяти данных и команд могут различаться разрядность шины данных и распределение адресов памяти. Часто адресные пространства памяти программ и памяти данных выполняют различными. Это приводит к различию разрядности шины адреса для этих видов памяти. В микроконтроллерах память программ обычно реализуется в виде постоянного запоминающего устройства, а память данных – в виде ОЗУ. В сигнальных процессорах память программ вынуждены выполнять в виде ОЗУ. Это связано с более высоким быстродействием оперативного запоминающего устройства, однако при этом в процессе работы осуществляется защита от записи в эту область памяти.
Применение двух системных шин для обращения к памяти программ и памяти данных в гарвадской архитектуре имеет два недостатка – высокую стоимость и большое количество внешних выводов микропроцессора. При использовании двух шин для передачи команд и данных, микропроцессор должен иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть выводов микропроцессора. Для уменьшения количества выводов кристалла микропроцессора фирмы-производители микросхем объединили шины данных и шины адреса для внешней памяти данных и программ, оставив только различные сигналы управления (WR, RD, IRQ) а внутри микропроцессора сохранили классическую гарвардскую архитектуру. Такое решение получило название модифицированная гарвардская архитектура.
Модифицированная гарвардская структура применяется в современных микросхемах сигнальных процессоров. Ещё дальше по пути уменьшения стоимости кристалла за счет уменьшения площади, занимаемой системными шинами пошли производители однокристалльных ЭВМ – микроконтроллеров. В этих микросхемах применяется одна системная шина для передачи команд и данных (модифицированная гарвардская архитектура) и внутри кристалла.
В сигнальных процессорах для реализации таких алгоритмах как быстрое преобразование Фурье и цифровая фильтрация часто требуется еще большее количество внутренних шин. Обычно применяются две шины для чтения данных, одна шина для записи данных и одна шина для чтения инструкций. Подобная структура микропроцессора получила название расширенной гарвардской архитектуры. Этот подход практикуют производители сигнальных процессоров – фирмы Analog Devices (семейства сигнальных процессоров BlackFin и Tiger Shark), Texas Instrunents (семейства сигнальных процессоров C5000™ DSPs и C6000™ DSPs), Freescale (семейства сигнальных процессоров MSC8251 и DSP56K).
2. Понятие и классификация архитектур вычислительных систем
С развитием вычислительной техники появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».
Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1-93 определяет, как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.
Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.
Если не вдаваться в подробности, ВС прежде всего можно разделить на:
Многомашинная вычислительная система
Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют обшей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.
Формально отличие ВС от вычислительной машины, совокупности технических средств, создающих возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме, выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.
Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.
Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ, функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.
Основой цифровых вычислительных систем являются логические цифровые схемы, основанные на элементах, принимающих два возможных фиксированных значения – «0» и «1».
Потребность в более быстрых, дешевых и универсальных процессорах вынуждает производителей постоянно наращивать число транзисторов в них. Однако этот процесс не бесконечен. Поддерживать экспоненциальный рост этого числа, предсказанный Гордоном Муром в 1973 году, становится все труднее. Специалисты утверждают, что этот закон перестанет действовать, как только затворы транзисторов, регулирующие потоки информации в чипе, станут соизмеримыми с длиной волны электрона (в кремнии, на котором сейчас строится производство, это порядка 10 нанометров). Произойдет это до 2020 годами. По мере приближения к физическому пределу архитектура компьютеров становится все более изощренной, возрастает стоимость проектирования, изготовления и тестирования чипов. Таким образом, этап эволюционного развития рано или поздно сменится революционными изменениями.
В результате гонки наращивания производительности возникает множество проблем:
– перегрев в сверхплотной упаковке, вызванный существенно меньшей площадью теплоотдачи;
– снижение надежности транзисторов из-за уменьшения их размеров и утоньшения изолирующего слоя;
– снижение размеров транзисторов уменьшает скорость их срабатывания, она перестает соответствовать скорости распространения сигнала по внутрисхемным соединениям;
– более тонкие проводники, соединяющие транзисторы, имеют и более высокое сопротивление, и неприемлемо высокую задержку распространения сигнала. Эта проблема была отчасти решена путем использования многослойных соединений.
Возможности по совершенствованию элементной базы уже практически исчерпаны, дальнейшее повышение производительности вычислительных машин лежит в плоскости архитектурных решений.
На сегодняшний день основное условие повышения производительности процессоров – методы параллелизма. Как известно, микропроцессор обрабатывает последовательность инструкций (команд), составляющих ту или иную программу. Если организовать параллельное (то есть одновременное) выполнение инструкций, общая производительность существенно вырастет.
Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой), и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться.
Решается проблема параллелизма методами
- применением суперскалярной архитектуры
Под конвейерным режимом понимают такой вид обработки, при котором интервал времени, требуемый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в АЛУ) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводиться в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, т. е. когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства. Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных.
Суперскалярная архитектура – параллелизм на уровне инструкций (то есть, процессор, способный выполнять несколько инструкций одновременно) за счёт включения в состав его вычислительного ядра нескольких одинаковых функциональных узлов (таких как АЛУ[1], FPU[2], умножитель (integer multiplier), сдвигающее устройство (integer shifter) и другие устройства).
Однако помимо явных преимуществ применение конвейера и дублирование его блоков в микропроцессорах порождают ряд проблем, наиболее значимая из которых обусловлена наличием команд перехода, нарушающих естественный порядок вычислений.
Модуль предсказания переходов (прогнозирования ветвлений) – устройство, входящее в состав процессора, имеющего конвейерную архитектуру, предсказывающее, будет ли выполнен условный переход в исполняемой программе.
Предсказание ветвлений позволяет сократить время простоя конвейера за счёт предварительной загрузки и исполнения инструкций, которые должны выполниться после выполнения инструкции условного перехода. Прогнозирование ветвлений играет критическую роль, так как в большинстве случаев (точность предсказания переходов в современных процессорах превышает 90 %) позволяет оптимально использовать вычислительные ресурсы процессора.
Различают Принстонскую и Гарвардскую архитектуру вычислительных машин. Эти архитектурные варианты были предложены в конце 40-х годов специалистами, соответственно, Принстонского и Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей компьютеров.
Принстонская архитектура
Принстонская архитектура , которая часто называется архитектурой фон Неймана , характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные.
Архитектура современных персональных компьютеров основана на
магистрально-модульном принципе .
Любую вычислительную машину образуют три основные компонента:
- процессор,
- память,
- устройства ввода-вывода (УВВ).
Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (системную магистраль).
Шина – это кабель, состоящий из множества проводников. Количество проводников, входящих в состав шины, является
максимальной разрядностью шины .
Системная шина, в свою очередь, представляет собой совокупность
- шины данных, служащей для переноса информации;
- шины адреса, которая определяет, куда переносить информацию;
- шины управления, которая определяет правила для передачи информации;
- шины питания, подводящей электропитание ко всем узлам вычислительной машины.
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется
разрядностью шины .
Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Устройство управления (УУ) формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки запоминающего устройства (ЗУ). Считанная команда передается в УУ. По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство (АЛУ). После считывания операндов устройство управления по коду операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. Полученный результат записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи. Признаки результата (знак, наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в устройство управления, где записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может использоваться при выполнении следующих команд программы, например команд условного перехода.
Устройство ввода позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в оперативную память. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры, либо они должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель (дисковый накопитель).
Устройство вывода служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью печатающих устройств или на экран дисплея.
Запоминающее устройство или память – это совокупность ячеек, предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом . Информацией, записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.
Обработка данных и команд осуществляется посредством арифметико-логического устройства (АЛУ), предназначенного для непосредственного выполнения машинных команд под действием устройства управления. АЛУ и УУ совместно образуют центральное процессорное устройство (ЦПУ). Результаты обработки передаются в память.
Основные принципы построения вычислительных машин с архитектурой фон Неймана
- Принцип двоичности. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.
- Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определённой последовательности.
- Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления, чаще всего – двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
- Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
- Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.
- Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода (а также команд вызова функций и обработки прерываний), которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. Этот принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако был логически включен в указанный набор как дополняющий предыдущий принцип.
Архитектура фон Неймана имеет ряд важных достоинств.
- Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения.
- Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность.
Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени доминировала в вычислительной технике.
Однако ей присущи и существенные недостатки. Основным из них является необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится «узким местом» (bottleneck – «бутылочное горло»), которое ограничивает производительность цифровой системы.
Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти. Она характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.
Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры.
Стоимость фон Неймана и Гарвардской архитектуры
Поскольку инструкции и данные используют одну и ту же систему шин в архитектуре Von Neumann, это упрощает проектирование и разработку блока управления, что в конечном итоге снижает себестоимость продукции до минимальной. Разработка блока управления в архитектуре Гарварда дороже, чем первая из-за сложной архитектуры, которая использует две шины для инструкций и данных.
Особенности Гарвардской Архитектуры
- Гарвардская архитектура - это современная компьютерная архитектура, основанная на компьютерной модели ретранслятора Harvard Mark I.
- Гарвардская архитектура имеет отдельное пространство памяти для инструкций и данных, которое физически разделяет сигналы и код хранения и память данных, что, в свою очередь, позволяет получить доступ к каждой из систем памяти одновременно.
- В гарвардской архитектуре процессор может выполнить инструкцию за один цикл, если были установлены соответствующие планы конвейерной обработки.
- Гарвардская архитектура - это новая концепция, используемая специально в микроконтроллерах и цифровой обработке сигналов (DSP).
- Гарвардская архитектура - сложный вид архитектуры, поскольку в ней используются две шины для команд и данных, что делает разработку блока управления сравнительно более дорогой.
Архитектура микропроцессора. Основные понятия
Под архитектурой МП понимают принцип его внутренней организации: общую структуру, логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и принципы взаимодействия аппаратной части и программы обработки информации.
Иначе: архитектура – математическая модель МП, образованная программно- доступными элементами МП. Архитектура МП отражает возможности прикладного использования МП и содержит описание программной модели МП. Под программной моделью микропроцессора понимается совокупность программно-доступных регистров, объединенных в систему укрупненными связями и дополнительными элементами, обеспечивающими функциональную законченность модели.
Полностью понятие архитектура МП включает:
- структурную схему МП,
- программную модель МП,
- описание организации памяти,
- описание организации процедур ввода/вывода.
Различают два основных типа архитектуры МП – фон Неймановскую (принстонскую) и гарвардскую.
Фоннеймановская архитектура | Гарвардская архитектура |
Фон Неймановская (принстонская) архитектура (предложена Джо фон Нейманом в 1945 г.) предполагает, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой производится по одной шине данных и команд. Основным достижением группы инженеров, работавших с Джоном фон Нейманом, было осознание того факта, что программа может храниться в памяти вместе с данными. Основным преимуществом такого подхода является его гибкость, так как для изменения программы достаточно просто загрузить новый код в соответствующую область памяти. По существу, фон-неймановская архитектура, показанная на рис., состоит из центрального процессора (ЦПУ), памяти и общей шины (магистрали), по которой в обоих направлениях пересылаются данные. ЦПУ также должен взаимодействовать и с окружающим миром. При этом данные к/от соответствующих интерфейсных портов передаются по одной общей шине данных.
Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако использование общей шины означает, что в любой момент времени может выполняться только одна операция. Соответственно, пересылка данных между ЦПУ и памятью данных не может осуществляться одновременно с выборкой команды . Эта особенность называется фон-неймановским узким местом.
Рис. – Элементарная фон-неймановская машина (шина адреса не показана) |
Гарвардская архитектура (реализована в 1944 г. в ЭВМ Гарвардского университета) соответствует структуре с разделенными устройствами памяти команд и данных и отдельными шинами команд и данных.
В первое послевоенное десятилетие в Гарвардском университете было создано несколько компьютеров семейства "Марк", в которых память программ была полностью отделена от памяти данных (программа считывалась с бумажной перфоленты). Такая концепция была более эффективной, чем фон-неймановская (принстонская) архитектура, поскольку код программы мог считываться из памяти программ одновременно с обменом между ЦПУ и памятью данных или с операциями ввода/вывода. Однако такие машины были намного сложнее и дороже в изготовлении. А с учетом уровня технического развития 40 - 50-х годов, высоких экономических затрат, они не получили широкого распространения. Однако с развитием больших интегральных схем и технологии гарвардская архитектура снова оказалась в центре внимания.
Существует два типа цифровых компьютерных архитектур, которые описывают функциональность и реализацию компьютерных систем. Одна из них - архитектура фон Неймана, разработанная известным физиком и математиком Джоном Фон Нейманом в конце 1940-х годов, а другая - гарвардской архитектурой, основанной на оригинальном ретрансляционном компьютере Гарварда Марка I, который использовал отдельные системы памяти для хранить данные и инструкции.
Оригинальная архитектура Гарварда использовалась для хранения инструкций на перфоленте и данных в электромеханических счетчиках. Архитектура Von Neumann является основой современных вычислений и ее проще реализовать. В этой статье рассматриваются две компьютерные архитектуры в отдельности и объясняются различия между ними.
Особенности архитектуры фон Неймана
- Архитектура фон Неймана - это теоретический проект, основанный на концепции компьютера с хранимой программой.
- Архитектура фон Неймана имеет только одну шину, которая используется как для извлечения инструкций, так и для передачи данных. Что еще более важно, операции должны быть запланированы, потому что они не могут быть выполнены одновременно.
- В архитектуре фон Неймана процессору потребовалось бы два тактовых цикла для выполнения инструкции.
- Архитектура фон Неймана обычно используется буквально на всех машинах, от настольных компьютеров, ноутбуков, высокопроизводительных компьютеров до рабочих станций.
Основы фон Неймана и Гарвардской архитектуры
Архитектура фон Неймана - теоретический компьютерный дизайн, основанный на концепции хранимой программы, где программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Концепция была разработана математиком Джоном Фон Нейманом в 1945 году и которая в настоящее время служит основой почти всех современных компьютеров. Архитектура Гарварда была основана на оригинальной компьютерной модели на базе ретрансляции Гарварда Марка I, в которой использовались отдельные шины для данных и инструкций.
Использование архитектуры фон Неймана и Гарварда
Архитектура фон Неймана в основном используется на всех машинах, которые вы видите на настольных компьютерах и ноутбуках, на высокопроизводительных компьютерах и рабочих станциях. Гарвардская архитектура - довольно новая концепция, используемая в основном для микроконтроллеров и цифровой обработки сигналов (DSP).
Применение и функции
Архитектура фон Неймана нашла широкое применение в повседневной жизни. Имея в виду широкое применение, архитектура фон Неймана была введена в качестве предмета в образовательной степени. Начиная с третьего семестра студенты инженерных специальностей будут изучать этот предмет в своей учебной программе. Архитектура фон Неймана состоит из некоторых важных функций, и здесь мы подробно остановимся на них.
Память: Все мы знаем, что фон Нейман - это не что иное, как компьютер с функцией хранения данных. В архитектуре фон Неймана память играет жизненно важную роль и считается одной из важных особенностей. В основном это отвечает как за хранение, так и за запуск данных и данных программирования. В наши дни это было заменено ОЗУ, и теперь мы используем ОЗУ для этой цели.
Устройство управления: Это подразделение в основном отвечает за аспект управления. Все данные хранятся в памяти и во время обработки данных блок управления играет роль и управляет потоком данных. Фактически, если быть более типичным, это «По одному». Блок управления следует принципу One At A Time и, соответственно, обрабатывает все данные.
Ввод, вывод: Как и все электронные устройства, архитектура фон Неймана также имеет архитектуру ввода / вывода. Это основная функция та же, и ничего особенно не было разработано для архитектуры ввода и вывода. С помощью устройства ввода и вывода человек может общаться с устройством.
АЛУ: ALU или арифметическая логическая единица имеет большое значение в архитектуре фон Неймана. Этот ALU будет выполнять любое сложение, вычитание, умножение и деление данных. В дополнение к этому, ALU будет выполнять любые другие алгоритмические функции и действия. Это основной аспект архитектуры фон Неймана, о котором вы должны знать.
Фон Нейман против Гарвардской архитектуры: сравнительная таблица
Разница между Фон Нейманом и Гарвардской архитектурой
Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана это не что иное, как искусство хранения электронного компьютера. Это совсем не новая концепция, она существует уже давно, и мы следуем принципу этой архитектуры фон Неймана. Если мы вернемся в историю, совершенно очевидно, что архитектура фон Неймана была впервые опубликована в отчете Джона фон Неймана 30 июня 1945 года, и с тех пор тот же принцип применяется для хранения электронных компьютеров.
Читайте также: