Origem da arquitetura de Harvard, modelo, como funciona

O Arquitetura de Harvard É uma configuração de computador na qual os dados e instruções de um programa são encontrados em células separadas, que podem ser abordadas independentemente. 

Ou seja, é o termo usado para um sistema de computador que contém duas áreas separadas: para comandos ou instruções e para dados. Portanto, a principal função dessa arquitetura é armazenar os dados separadamente, fornecendo diferentes rotas de sinal para instruções e dados.

Fonte: Nessa Los - Trabalho próprio, CC por -sa 3.0, Commons.Wikimedia

Nesta arquitetura, o formato e a mídia desses dois segmentos do sistema podem ser desiguais, uma vez que as duas partes são compostas por duas estruturas separadas.

Alguns exemplos de arquiteturas de Harvard envolvem os primeiros sistemas de computador, onde as instruções do programa podem estar em um meio, por exemplo, em cartões perfurados, e os dados armazenados podem estar em outro meio, por exemplo, em fitas magnéticas.

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Formulários

Este tipo de arquitetura tem uma ampla aplicação em produtos de processamento de vídeo e áudio. Com cada ferramenta para processar vídeo e áudio, você pode notar a figura da arquitetura de Harvard.

Dispositivos analógicos Os processadores Blackfin são o dispositivo específico em que alcançou seu principal uso. Em outros produtos baseados em chips eletrônicos, a arquitetura de Harvard também é amplamente usada.

No entanto, a maioria dos computadores usa a arquitetura von Neumann e usa caches de CPU para obter uma sobreposição.

Origem

O trabalho realizado na Universidade de Harvard na década de 1940, sob a liderança de Howard Aiken, criou um computador original baseado em revezamento, chamado Harvard Mark I, que é o termo do qual surge o conceito de arquitetura de Harvard.

Este computador usou unidades de memória separadas para armazenar dados e instruções. Depois, houve um desenvolvimento significativo com esta arquitetura.

Aiken solicitou a usar memórias separadas para os dados e para as instruções do programa, com ônibus separados para cada.

Arquitetura original de Harvard geralmente armazenava as instruções em fitas e dados perfurados em contadores eletromecânicos.

O armazenamento de dados dessas primeiras máquinas estava totalmente dentro da unidade central de processamento. Por outro lado, eles não deram acesso para que as instruções fossem armazenadas como dados. Um operador teve que carregar os programas.

Uma arquitetura de Harvard pode processar os dados e executar as instruções ao mesmo tempo, porque cada um deles tem seu próprio barramento de endereço.

Modelo

Este modelo é caracterizado que os ônibus e armazenamento de informações são fisicamente separados para dados e código do programa.

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À medida que os ônibus funcionam autonomamente, os dados e instruções do programa podem ser obtidos ao mesmo tempo, melhorando assim a velocidade no design de barramento exclusivo.

Portanto, o modelo de Harvard é ter maior complexidade. No entanto, ter os ônibus evitando independentemente o gargalo produzido pela arquitetura von Neumann.

Um computador pode ser mais rápido para um circuito de uma certa complexidade, porque procurar instruções e acessar os dados não precisam lutar por um único barramento de memória.

Para trabalhar, existem dois endereços de memória. Portanto, existe um registro de memória para instruções da máquina e outro registro de memória para dados.

Ao contrário da arquitetura von Neumann, que usa um barramento para mover instruções e dados de memória, a Harvard Architecture usa uma área de memória para dados e outro para instruções.

Arquitetura de Harvard modificada

Nos computadores atuais, não há desintegração de áreas de memória usadas por programas e dados. Por esse motivo, pode -se dizer que tecnologicamente eles têm uma arquitetura von Neumann.

No entanto, a arquitetura de Harvard modificada serve para representar os computadores de hoje hoje.

Embora as unidades de processamento atuais compartilhem memória, elas têm certos elementos, como instruções exclusivas, que impedem os dados nas instruções. Isso é chamado de arquitetura de Harvard modificada.

Assim, a arquitetura de Harvard modificada tem dois ônibus separados, um para o código e outro para dados, mas a própria memória é um elemento fisicamente compartilhado.

O controlador de memória é onde a mudança é baseada, porque este dispositivo é aquele que gerencia a memória e como ela deve ser usada.

Os projetos de computadores modernos são suportados pela arquitetura de Harvard modificada. Eles são usados ​​em microcontroladores e processamento de sinal digital.

Como funciona a arquitetura de Harvard?

A arquitetura de Harvard tem diferentes áreas de endereços de memória para o programa e para dados.

Isso resulta na capacidade de projetar um circuito de tal maneira que um barramento e circuito de controle possam ser usados ​​para lidar com o fluxo de informações da memória do programa e outro separado para lidar com o fluxo de informações para a memória de dados.

O uso de ônibus separados significa que é possível que a recuperação e a execução de um programa sejam realizadas sem qualquer interrupção por alguma transferência ocasional de dados para a memória de dados.

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Por exemplo, em uma versão simples dessa arquitetura, a unidade de recuperação do programa pode ser ocupada pela recuperação da seguinte instrução na sequência do programa e, em paralelo.

Nesse nível, a Harvard Architecture tem uma limitação, pois geralmente não é possível colocar o código do programa na memória de dados e executá -lo a partir daí.

Adições em arquitetura

Para a forma simples de arquitetura de Harvard, muitas variantes existentes de maior complicação podem ser adicionadas.

Uma adição comum é adicionar um cache de armazenamento de instruções ao barramento de dados do programa, que permite a unidade de execução das instruções para obter um acesso mais rápido à próxima etapa do programa, sem ter que ir a uma memória mais lenta para dar a etapa do programa Cada vez que é necessário.

Endereços de memória

Um computador com a arquitetura de Harvard tem diferentes áreas de endereços e instruções: o endereço de uma das instruções não é a mesma área que o endereço de um dos dados.

O endereço de uma das instruções pode conter um valor de vinte e quatro bits, enquanto o endereço de um dos dados pode indicar um byte de oito bits, que não faz parte desse valor de vinte e quatro bits.

Sistema de memória

Como você possui uma área de memória separada para instruções e dados, separando os sinais e o armazenamento no código e na memória de dados, isso possibilita o acesso simultaneamente a cada um dos sistemas de memória.

Vantagens

- Existem menos possibilidades de corrupção na transmissão, uma vez que os dados e instruções são transferidos através de diferentes ônibus.

- Os dados e instruções são acessados ​​da mesma maneira.

- Permite diferentes mídias de armazenamento para instruções e dados. Por exemplo, você pode colocar instruções sobre uma ROM econômica e dados em um RAM caro.

- As duas memórias podem usar tamanhos de células diferentes, o que faz uso eficaz de recursos.

- Há uma largura de banda de memória mais alta, que é mais previsível para ter memórias separadas para instruções e dados.

Nível de proteção

Em sistemas que não possuem uma unidade de administração de memória, oferece um nível adicional de proteção, pois os dados não podem ser executados como se fossem o código, o que exporia o sistema a vários problemas, como o buffer de transbordamento.

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É por isso que é popular entre pequenos sistemas integrados, como microondas ou relógio.

Velocidade mais alta

Harvard Architecture pode ler uma instrução e também fazer acesso à memória de dados simultaneamente a uma velocidade rápida.

Oferece maior desempenho, pois permite que a obtenção simultânea de dados e instruções seja armazenada em memórias separadas e viaje por diferentes ônibus.

Uma arquitetura de Harvard geralmente ajuda um computador com um certo nível de complexidade a funcionar mais rapidamente do que uma arquitetura von Neumann, desde que não seja necessário compartilhar recursos entre as memórias de dados e o código.

Se as limitações de pinos ou outros fatores forçarem o uso de um único barramento para acessar os dois espaços de memória, é provável que essas vantagens sejam anuladas em grande parte.

Desvantagens

Maior complexidade e custo

O problema com a arquitetura de Harvard é sua grande complexidade e custo porque, em vez de um barramento de dados, agora dois são necessários.

A produção de um computador com dois ônibus é muito mais cara e leva mais tempo para fabricá -lo. Requer uma unidade de controle para dois ônibus, o que é mais complicado e cujo desenvolvimento é caro e precisa de mais tempo.

Isso significa uma implementação mais complexa para os fabricantes. Requer mais pinos na CPU, uma placa -mãe mais complexa e tendo que dobrar os chips de RAM, bem como um design de cache mais complexo.

Pouco uso

A arquitetura de Harvard não é muito usada, por isso é mais difícil de implementar. É por isso que raramente é usado fora da CPU.

No entanto, essa arquitetura às vezes é usada na CPU para lidar com suas colinas.

Uso indevido do espaço da memória

Quando há espaço livre na memória de dados, ele não pode ser usado para armazenar instruções e vice -versa.

Portanto, as memórias específicas dedicadas a cada uma delas devem ser feitas cuidadosamente equilibradas em sua fabricação.

Referências

1. Listar diferenças (2019). Diferença entre von Neumann e Harvard Architecture? Retirado de: ListDIFFERENCES.com.
2. PC Magazine (2019). Definição de: Harvard Architecture. Retirado de: PCMAG.com.
3. Ravepedia (2019). Arquitetura de Harvard. Retirado de: ravepedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Qual é a diferença entre as arquiteturas Von-Neumann e Harvard? Dicas de microcontrolador. Retirado de: Microcontrolertips.com.
5. Wikipedia, The Free Encyclopedia (2019). Arquitetura de Harvard. Retirado de: em.Wikipedia.org.
6. The Crazy Programmer (2019). Diferença entre von Neumann e Harvard Architecture. Retirado de: thecrazyprogrmer.com.