SENIBINA HARVARD: ASAL, MODEL, CARA IA BERFUNGSI - TEKNOLOGI - 2025

The seni bina Harvard ialah konfigurasi komputer di mana data dan arahan program yang terletak di dalam sel berasingan memori, yang boleh ditangani secara bebas.

Iaitu, istilah yang digunakan untuk sistem komputer yang mengandungi dua bidang yang terpisah: untuk perintah atau arahan dan untuk data. Oleh itu, fungsi utama seni bina ini adalah untuk menyimpan data yang dipisahkan secara fizikal, menyediakan jalur isyarat yang berbeza untuk arahan dan data.

Sumber: Dari Nessa los - Karya sendiri, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

Dalam seni bina ini, format dan media kedua-dua segmen sistem ini tidak sama, kerana kedua-dua bahagian terdiri dari dua struktur yang terpisah.

Beberapa contoh seni bina Harvard melibatkan sistem komputer awal, di mana arahan program boleh dilakukan pada satu media, misalnya, pada kad tebukan, dan data yang tersimpan boleh berada pada media lain, misalnya, pada pita magnetik.

Permohonan

Jenis seni bina ini mempunyai aplikasi yang luas dalam produk pemprosesan video dan audio. Dengan setiap alat untuk memproses video dan audio, gambar seni bina Harvard dapat dilihat.

Peranti Analog Pemproses Blackfin adalah peranti tertentu di mana ia menemui kegunaan utamanya. Dalam produk berasaskan cip elektronik yang lain, seni bina Harvard juga banyak digunakan.

Walau bagaimanapun, kebanyakan komputer menggunakan seni bina von Neumann dan menggunakan cache CPU untuk mencapai pertindihan.

Asal

Kerja yang dilakukan di Universiti Harvard pada tahun 1940-an di bawah pimpinan Howard Aiken mencipta komputer berasaskan relay yang asli, yang disebut Harvard Mark I, yang merupakan istilah dari mana timbulnya konsep seni bina Harvard.

Komputer ini menggunakan unit memori berasingan untuk menyimpan data dan arahan. Kemudian terdapat perkembangan yang ketara dengan seni bina ini.

Aiken mendorong penggunaan memori berasingan untuk data dan arahan program, dengan bas yang berasingan untuk setiap data.

Senibina Harvard yang asli biasanya menyimpan arahan pada pita yang ditebuk dan data di kaunter elektromekanikal.

Penyimpanan data mesin awal ini sepenuhnya berada di dalam unit pemprosesan pusat. Sebaliknya, mereka tidak memberi arahan agar arahan disimpan sebagai data. Pengendali terpaksa memuatkan program.

Senibina Harvard dapat memproses data dan melaksanakan arahan pada masa yang sama, kerana masing-masing mempunyai bus alamat sendiri.

Model

Model ini dicirikan bahawa bas maklumat dan penyimpanan secara fizikal dipisahkan untuk data dan kod program.

Oleh kerana bas beroperasi secara autonomi, arahan data dan program dapat diperoleh pada masa yang sama, sehingga meningkatkan kelajuan pada reka bentuk bus tunggal.

Oleh itu, model Harvard ternyata lebih kompleks. Walau bagaimanapun, dengan menggunakan bas secara bebas dapat mengelakkan kemacetan yang dihasilkan oleh seni bina von Neumann.

Komputer boleh menjadi lebih cepat untuk rangkaian kerumitan tertentu, kerana mencari petunjuk dan mengakses data tidak harus memperjuangkan bus memori tunggal.

Untuk bekerja terdapat dua alamat memori. Oleh itu, terdapat daftar memori untuk arahan mesin dan daftar memori lain untuk data.

Tidak seperti seni bina von Neumann, yang menggunakan bas untuk memindahkan kedua-dua arahan dan data ke dalam memori, seni bina Harvard menggunakan satu kawasan memori untuk data dan satu lagi untuk arahan.

Senibina Harvard yang diubah suai

Dalam komputer hari ini tidak ada pemisahan fizikal kawasan memori yang digunakan oleh program dan data. Atas sebab ini, boleh dikatakan bahawa secara teknologi mereka mempunyai seni bina Von Neumann.

Walau bagaimanapun, seni bina Harvard yang diubah suai berfungsi untuk mewakili komputer masa kini dengan sebaiknya.

Walaupun unit pemprosesan semasa berkongsi memori, mereka mempunyai unsur-unsur tertentu, seperti arahan unik, yang menghalang data daripada terjerat dengan arahan. Ini dipanggil seni bina Harvard yang diubah suai.

Oleh itu, seni bina Harvard yang diubahsuai mempunyai dua bas yang berasingan, satu untuk kod dan satu untuk data, tetapi memori itu sendiri adalah elemen yang dikongsi secara fizikal.

Pengawal memori adalah tempat perubahan berlaku, kerana peranti ini adalah yang mengendalikan memori dan bagaimana ia harus digunakan.

Reka bentuk komputer moden disokong oleh seni bina Harvard yang diubah suai. Mereka digunakan dalam mikrokontroler dan dalam pemprosesan isyarat digital.

Bagaimana seni bina Harvard berfungsi?

Seni bina Harvard mempunyai kawasan alamat memori yang berbeza untuk program dan data.

Ini menghasilkan kemampuan untuk merancang litar sedemikian rupa sehingga bus dan litar kawalan dapat digunakan untuk menangani aliran informasi dari memori program dan terpisah untuk menangani aliran maklumat ke memori data.

Penggunaan bas yang terpisah bermaksud bahawa program dapat diambil dan dilaksanakan tanpa terganggu oleh pemindahan data ke memori data sesekali.

Sebagai contoh, dalam versi ringkas arsitektur ini, unit pemulihan program dapat sibuk mendapatkan arahan seterusnya dalam urutan program dan secara bersamaan melakukan operasi pemindahan data yang mungkin merupakan bagian dari instruksi program sebelumnya. .

Pada tahap ini, seni bina Harvard mempunyai batasan, kerana umumnya tidak mungkin memasukkan kod program dalam memori data dan melaksanakannya dari sana.

Penambahan dalam seni bina

Banyak varian sedia ada yang lebih rumit dapat ditambahkan pada bentuk seni bina Harvard yang ringkas.

Tambahan umum adalah menambahkan cache instruksi ke bus data program, yang membolehkan unit pelaksanaan arahan mengakses lebih cepat ke langkah seterusnya dalam program, tanpa harus pergi ke memori yang lebih lambat untuk sampai ke langkah tersebut. program setiap kali diperlukan.

Alamat memori

Komputer seni bina Harvard mempunyai bidang arahan dan alamat data yang berbeza: alamat arahan tidak sama dengan alamat data.

Alamat arahan seseorang boleh mengandungi nilai dua puluh empat-bit, sementara alamat data dapat menunjukkan bait lapan-bit, yang bukan merupakan bagian dari nilai dua puluh empat-bit itu.

Sistem ingatan

Oleh kerana terdapat kawasan memori yang terpisah untuk arahan dan data, yang memisahkan kedua-dua isyarat dan penyimpanan memori kod dan data, ini memungkinkan untuk mengakses setiap sistem memori secara serentak.

Kelebihan

- Tidak ada kemungkinan korupsi dalam penghantaran, kerana data dan arahan dipindahkan melalui bas yang berbeza.

- Data dan arahan diakses dengan cara yang sama.

- Membolehkan media penyimpanan yang berbeza untuk arahan dan data. Sebagai contoh, anda boleh meletakkan arahan dalam ROM yang murah dan data dalam RAM yang mahal.

- Dua kenangan itu boleh menggunakan saiz sel yang berbeza, sehingga memanfaatkan sumber yang berkesan.

- Ia mempunyai lebar jalur memori yang lebih besar, yang lebih dapat diramalkan dengan mempunyai memori berasingan untuk arahan dan data.

Tahap perlindungan

Dalam sistem yang tidak memiliki unit manajemen memori, ia menawarkan tingkat perlindungan tambahan, karena data tidak dapat dimulai sebagai kod, yang akan mendedahkan sistem kepada banyak masalah, seperti buffer overflow.

Itulah sebabnya ia popular dengan sistem tertanam kecil, seperti gelombang mikro atau jam.

Kelajuan lebih tinggi

Seni bina Harvard dapat membaca arahan dan juga mengakses memori data secara serentak dengan kelajuan yang cepat.

Ia menawarkan prestasi yang lebih tinggi, kerana ia membolehkan data dan arahan secara serentak disimpan dalam kenangan berasingan dan melalui bas yang berbeza.

Senibina Harvard pada umumnya akan membantu komputer dengan tahap kerumitan tertentu berjalan lebih cepat daripada seni bina Von Neumann, selagi tidak diperlukan untuk berkongsi sumber antara kod dan memori data.

Sekiranya batasan pin atau faktor lain memaksa penggunaan bus tunggal untuk mengakses kedua-dua ruang memori, faedah ini kemungkinan besar akan dibatalkan.

Kekurangan

Kerumitan dan kos yang lebih besar

Masalah dengan seni bina Harvard adalah kerumitan dan kosnya yang tinggi kerana bukannya satu bas data, kini diperlukan dua.

Menghasilkan komputer dua bas jauh lebih mahal dan memerlukan masa lebih lama untuk dihasilkan. Ia memerlukan unit kawalan untuk dua bas, yang lebih rumit dan memakan masa dan mahal untuk dibangunkan.

Ini bermaksud pelaksanaan yang lebih kompleks untuk pengeluar. Ia memerlukan lebih banyak pin pada CPU, motherboard yang lebih kompleks dan harus menduplikasi cip RAM, serta reka bentuk cache yang lebih kompleks.

Penggunaan sedikit

Seni bina Harvard tidak banyak digunakan, menjadikannya lebih sukar untuk dilaksanakan. Inilah sebabnya mengapa ia jarang digunakan di luar CPU.

Walau bagaimanapun, seni bina ini kadang-kadang digunakan dalam CPU untuk menguruskan cache.

Penyalahgunaan ruang ingatan

Apabila terdapat ruang kosong dalam memori data, memori tidak dapat digunakan untuk menyimpan petunjuk dan sebaliknya.

Oleh itu, kenangan tertentu yang dikhaskan untuk masing-masing mesti seimbang dalam pembuatannya.

Rujukan

1. Senaraikan Perbezaan (2019). Perbezaan Antara Seni Bina Von Neumann dan Harvard? Diambil dari: listdifferences.com.
2. Majalah PC (2019). Definisi: Seni bina Harvard. Diambil dari: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Senibina Harvard. Diambil dari: ceilingpedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Apa perbezaan antara seni bina Von-Neumann dan Harvard? Petua Pengawal Mikro. Diambil dari: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, ensiklopedia percuma (2019). Seni bina Harvard. Diambil dari: en.wikipedia.org.
6. Pengaturcara Gila (2019). Perbezaan antara Von Neumann dan Harvard Architecture. Diambil dari: thecrazyprogrammer.com.