ARKITEKTURA NG HARVARD: PINAGMULAN, MODELO, KUNG PAANO ITO GUMAGANA - TEKNOLOHIYA - 2025

Ang arkitektura ng Harvard ay isang pagsasaayos ng computer kung saan ang data at mga tagubilin ng isang programa ay matatagpuan sa magkakahiwalay na mga cell ng memorya, na maaaring matugunan nang nakapag-iisa.

Ibig sabihin, ito ang term na ginamit para sa isang computer system na naglalaman ng dalawang magkakahiwalay na lugar: para sa mga utos o tagubilin at para sa data. Samakatuwid, ang pangunahing pag-andar ng arkitektura na ito ay ang pag-iimbak ng data na hiwalay ang pisikal, na nagbibigay ng iba't ibang mga landas ng signal para sa mga tagubilin at data.

Pinagmulan: Mula sa Nessa los - Sariling gawain, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

Sa arkitektura na ito, ang parehong format at media ng dalawang mga segment ng system ay maaaring maging hindi pantay, dahil ang dalawang bahagi ay binubuo ng dalawang magkakahiwalay na istraktura.

Ang ilang mga halimbawa ng mga arkitektura ng Harvard ay nagsasangkot ng mga unang sistema ng computer, kung saan ang mga tagubilin sa programa ay maaaring sa isang daluyan, halimbawa, sa mga suntok na suntok, at ang naka-imbak na data ay maaaring sa isa pang daluyan, halimbawa, sa mga magnetic tape.

Aplikasyon

Ang ganitong uri ng arkitektura ay may malawak na aplikasyon sa mga produktong pagproseso ng video at audio. Sa bawat tool upang maproseso ang video at audio, makikita ang pigura ng arkitektura ng Harvard.

Mga Analog Device Ang mga prosesor ng Blackfin ay ang partikular na aparato kung saan natagpuan ang pangunahing gamit nito. Sa iba pang mga elektronikong produkto na nakabatay sa chip, ang arkitektura ng Harvard ay malawakang ginagamit.

Gayunpaman, ginagamit ng karamihan sa mga computer ang arkitektura ng von Neumann at gumamit ng mga cache ng CPU upang makamit ang isang overlap.

Pinagmulan

Ang gawaing ginawa sa Harvard University noong 1940s sa ilalim ng pamumuno ni Howard Aiken ay lumikha ng isang orihinal na computer na nakabase sa relay, na tinawag na Harvard Mark I, na siyang termino kung saan lumitaw ang konsepto ng arkitektura ng Harvard.

Ang computer na ito ay gumamit ng hiwalay na mga yunit ng memorya upang mag-imbak ng data at mga tagubilin. Pagkatapos ay nagkaroon ng isang makabuluhang pag-unlad sa arkitektura na ito.

Hinikayat ni Aiken ang paggamit ng hiwalay na mga alaala para sa data at para sa mga tagubilin sa programa, na may magkahiwalay na mga bus para sa bawat isa.

Ang orihinal na arkitektura ng Harvard ay karaniwang naka-imbak ng mga tagubilin sa mga naka-punched tape at data sa mga electromekanical counter.

Ang pag-iimbak ng data ng mga naunang makina na ito ay nasa loob ng yunit ng pagpoproseso ng sentral Sa kabilang banda, hindi sila nagbigay ng pag-access para maimbak ang mga tagubilin bilang data. Kailangang mai-load ng isang operator ang mga programa.

Ang arkitektura ng Harvard ay maaaring magproseso ng data at magsagawa ng mga tagubilin nang sabay, dahil ang bawat isa sa kanila ay may sariling address bus.

Model

Ang modelong ito ay nailalarawan sa ang mga bus na impormasyon at ang imbakan ay pisikal na pinaghiwalay para sa data at ang code ng programa.

Habang ang mga bus ay nagpapatakbo ng awtonomya, ang mga tagubilin ng data at programa ay maaaring makuha nang sabay-sabay, kaya pinapabuti ang bilis sa iisang disenyo ng bus.

Samakatuwid, ang modelo ng Harvard ay lumiliko na maging mas kumplikado. Gayunpaman, ang pagkakaroon ng mga bus nang nakapag-iisa ay umiiwas sa mga bottleneck na gawa ng von Neumann na arkitektura.

Ang isang computer ay maaaring maging mas mabilis para sa isang circuit ng isang tiyak na pagiging kumplikado, dahil ang paghahanap para sa mga tagubilin at pag-access ng data ay hindi kailangang labanan para sa isang solong memorya ng bus.

Upang gumana may dalawang memorya ng memorya. Samakatuwid, mayroong isang rehistro ng memorya para sa mga tagubilin ng makina at isa pang rehistro ng memorya para sa data.

Hindi tulad ng arkitektura ng von Neumann, na gumagamit ng isang bus upang ilipat ang parehong mga tagubilin at data sa memorya, ang arkitektura ng Harvard ay gumagamit ng isang lugar ng memorya para sa data at isa pa para sa mga tagubilin.

Binagong Harvard Architecture

Sa mga computer ngayon ay walang pisikal na hindi pagkakasundo ng mga lugar ng memorya na ginagamit ng mga programa at data. Para sa kadahilanang ito, masasabi na teknolohikal na mayroon silang isang arkitekturang Von Neumann.

Gayunpaman, ang binagong arkitektura ng Harvard ay nagsisilbing pinakamahusay na kumakatawan sa mga computer ngayon.

Bagaman ang mga kasalukuyang yunit ng pagproseso ay nagbabahagi ng memorya, mayroon silang ilang mga elemento, tulad ng mga natatanging tagubilin, na pumipigil sa data mula sa pagkuha ng mga tagubilin. Ito ay tinatawag na binagong arkitektura ng Harvard.

Kaya, ang binagong arkitektura ng Harvard ay may dalawang magkakahiwalay na mga bus, isa para sa code at isa para sa data, ngunit ang memorya mismo ay isang sangkap na ibinahagi.

Ang controller ng memorya ay kung saan nakaupo ang pagbabago, dahil ang aparatong ito ang siyang humahawak ng memorya at kung paano ito dapat gamitin.

Ang mga modernong disenyo ng computer ay sinusuportahan ng binagong arkitektura ng Harvard. Ginagamit ang mga ito sa mga microcontroller at sa pagproseso ng digital signal.

Paano gumagana ang arkitektura ng Harvard?

Ang arkitektura ng Harvard ay may iba't ibang mga lugar ng memorya ng memorya para sa programa at para sa data.

Nagreresulta ito sa kakayahang magdisenyo ng isang circuit sa isang paraan na ang isang bus at isang control circuit ay maaaring magamit upang hawakan ang daloy ng impormasyon mula sa memorya ng programa at isang hiwalay upang hawakan ang daloy ng impormasyon sa memorya ng data.

Ang paggamit ng magkahiwalay na mga bus ay nangangahulugang posible na makuha ang isang programa at isakatuparan nang hindi napagambala ng paminsan-minsang paglilipat ng data sa memorya ng data.

Halimbawa, sa isang simpleng bersyon ng arkitektura na ito, ang yunit ng pagbawi ng programa ay maaaring abala sa pagkuha ng susunod na pagtuturo sa pagkakasunud-sunod ng programa at kahanay na gumaganap ng isang operasyon ng paglilipat ng data na maaaring naging bahagi ng nakaraang tagubilin ng programa. .

Sa antas na ito, ang arkitektura ng Harvard ay may isang limitasyon, dahil sa pangkalahatan ay hindi posible na maglagay ng code ng programa sa memorya ng data at isagawa ito mula doon.

Mga karagdagan sa arkitektura

Maraming mas kumplikadong umiiral na mga variant ay maaaring idagdag sa simpleng anyo ng arkitektura ng Harvard.

Ang isang karaniwang pagdaragdag ay pagdaragdag ng isang cache ng pagtuturo sa bus ng data ng programa, na nagpapahintulot sa yunit ng pagpapatupad ng pagtuturo ng mas mabilis na pag-access sa susunod na hakbang sa programa, nang hindi kinakailangang pumunta sa mas mabagal na memorya upang makarating sa hakbang. ng programa sa bawat oras na kinakailangan.

Mga address ng memorya

Ang isang computer na arkitektura ng Harvard ay may iba't ibang mga lugar ng pagtuturo at mga lugar ng data address: ang address ng tagubilin sa isa ay hindi magkaparehong lugar tulad ng isang address ng data.

Ang address ng tagubilin ay maaaring maglaman ng isang dalawampu't apat na bit na halaga, habang ang data address ay maaaring ipahiwatig ng isang walong-bit na bait, na hindi bahagi ng dalawampu't apat na bit na halaga.

Sistema ng memorya

Dahil mayroong isang hiwalay na lugar ng memorya para sa mga tagubilin at data, na naghihiwalay sa parehong mga senyas at pag-iimbak ng memorya ng code at data, posible nitong ma-access ang bawat isa sa mga system ng memorya nang sabay-sabay.

Kalamangan

- Mayroong mas kaunting pagkakataon ng katiwalian sa paghahatid, dahil ang data at mga tagubilin ay inilipat sa pamamagitan ng iba't ibang mga bus.

- Ang data at mga tagubilin ay na-access sa parehong paraan.

- Pinapayagan ang iba't ibang media ng imbakan para sa mga tagubilin at data. Halimbawa, maaari mong ilagay ang mga tagubilin sa murang ROM at ang data sa mahal na RAM.

- Ang dalawang mga alaala ay maaaring gumamit ng iba't ibang mga laki ng cell, at sa gayon ginagawang epektibong paggamit ng mga mapagkukunan.

- Mayroon itong isang mas malaking bandwidth ng memorya, na kung saan ay mas mahuhulaan sa pamamagitan ng pagkakaroon ng hiwalay na mga alaala para sa mga tagubilin at data.

Antas ng proteksyon

Sa mga system na walang yunit ng pamamahala ng memorya, nag-aalok ito ng isang karagdagang antas ng proteksyon, dahil ang data ay hindi maaaring magsimula bilang code, ilantad ang system sa maraming mga problema, tulad ng overflow ng buffer.

Iyon ang dahilan kung bakit ito ay tanyag sa maliit na naka-embed na mga system, tulad ng microwave o isang orasan.

Mas mataas na bilis

Ang arkitektura ng Harvard ay maaaring magbasa ng isang tagubilin at i-access ang memorya ng data nang sabay-sabay sa isang mabilis na bilis.

Nag-aalok ito ng higit na pagganap, dahil pinapayagan nito ang sabay-sabay na pagkuha ng data at mga tagubilin na maiimbak sa magkahiwalay na mga alaala at paglalakbay sa iba't ibang mga bus.

Ang isang arkitektura ng Harvard ay karaniwang makakatulong sa isang computer na may isang tiyak na antas ng pagiging kumplikado na tumakbo nang mas mabilis kaysa sa isang arkitektura ng Von Neumann, hangga't hindi kinakailangan na ibahagi ang mga mapagkukunan sa pagitan ng code at mga alaala ng data.

Kung ang mga limitasyon ng pin o iba pang mga kadahilanan ay pinipilit ang paggamit ng isang solong bus upang ma-access ang parehong mga puwang ng memorya, ang mga benepisyo na ito ay malamang na masiraan ng loob.

Mga Kakulangan

Mas malawak na pagiging kumplikado at gastos

Ang problema sa arkitektura ng Harvard ay ang pagiging kumplikado at gastos dahil sa halip na isang data bus, dalawa ang kinakailangan ngayon.

Ang paggawa ng isang computer na dalawang-bus ay mas mahal at mas matagal sa paggawa. Nangangailangan ito ng isang unit ng control para sa dalawang mga bus, na kung saan ay mas kumplikado at pag-ubos ng oras at mamahaling bumuo.

Nangangahulugan ito ng isang mas kumplikadong pagpapatupad para sa mga tagagawa. Nangangailangan ito ng higit pang mga pin sa CPU, isang mas kumplikadong motherboard at kinakailangang doblehin ang mga chips ng RAM, pati na rin ang isang mas kumplikadong disenyo ng cache.

Maliit na gamit

Ang arkitektura ng Harvard ay hindi malawak na ginagamit, na ginagawang mas mahirap ipatupad. Ito ang dahilan kung bakit bihirang ginagamit ito sa labas ng CPU.

Gayunpaman, ang arkitektura na ito ay kung minsan ay ginagamit sa loob ng CPU upang pamahalaan ang mga cache nito.

Maling paggamit ng puwang ng memorya

Kung mayroong libreng puwang sa memorya ng data, hindi ito magamit upang mag-imbak ng mga tagubilin at kabaligtaran.

Samakatuwid, ang mga partikular na alaala na nakatuon sa bawat isa sa kanila ay dapat na maingat na balanse sa kanilang paggawa.

Mga Sanggunian

1. Mga Pagkakaiba ng Listahan (2019). Pagkakaiba sa pagitan ng Von Neumann at Arkitektura ng Harvard? Kinuha mula sa: listdifferences.com.
2. PC Magazine (2019). Kahulugan ng: arkitektura ng Harvard. Kinuha mula sa: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Arkitektura ng Harvard. Kinuha mula sa: ceilingpedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng mga arkitektura ng Von-Neumann at Harvard? Mga Tip sa Microcontroller. Kinuha mula sa: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, ang libreng encyclopedia (2019). Arkitektura ng Harvard. Kinuha mula sa: en.wikipedia.org.
6. Ang Crazy Programmer (2019). Pagkakaiba sa pagitan ng Von Neumann at Harvard Architecture. Kinuha mula sa: thecrazyprogrammer.com.