Гарвардская архитектура компьютера реферат

Обновлено: 02.07.2024

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:
1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства.
2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

Содержание

История

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. И в конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура называемая по имени этого университета. Однако, победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась советским учёным А. И. Китовым в ВЦ-1 МО СССР [1] .

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий:

выборку двух операндов,
выбор инструкции и её выполнение,
и, наконец, сохранение результата.

В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не требуется иметь общими. В частности, ширина слова, тайминги, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут храниться в памяти только для чтения, в то время как для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных, поскольку данные обычно могут подгружатся с внешней или более медленной памяти. Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных.

Отличие от архитектуры фон Неймана

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину.
А в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти.
Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций — это не то же самое, что и нулевой адрес данных. Нулевой адрес инструкций может определяться двадцатичетырехбитным значением, в то время как нулевой адрес данных может выглядеть как восьмибитный байт, который не являются частью этого двадцатичетырехбитного значения.

Модифицированная гарвардская архитектура

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть выводов микропроцессора. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общие шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Ещё дальше по пути уменьшения стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина команд и данных применяется и внутри кристалла.

Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура

Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана

Существуют гибридные архитектуры, сочетающие достоинства как Гарвардской так и фон Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры ещё более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.

Использование

Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Microchip PIC, Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051.

Архитектура компьютера — логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Архитектура персонального компьютера это компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода.

В настоящее время наибольшее распространение получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов.

Классическая гарвардская архитектура

Модифицированная гарвардская архитектура

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (т.к. шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути удешевления стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина адреса и данных применяется и внутри кристалла.

Расширенная гарвардская архитектура

ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.

Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

Принципы фон Неймана

1. Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.

2. Принцип программного управления .

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.

3. 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.

4. Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

5. Принцип последовательного программного управления

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

6. Принцип условного перехода.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University ). Великобритания, 6 мая 1949 года;

BINAC. США, апрель или август 1949 года;

CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

SEAC. США, 9 мая 1950 года.

2.Основная часть

История создания. Принцип архитектуры IBM PC

Архитектура IBM PC использует архитектуру фон Неймана.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х го-дов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и миниЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования.

Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению ,ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер "с нуля", а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088.

Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура основной принцип внутренней организации компьютера осталась без изменений. Устройство компьютера изображено на схеме ниже.

Центральный процессор (CPU) является ядром компьютерной системы. Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней шины процессора. Внутри процессора имеются шины для взаимодействия между собой АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса (указывающие, откуда берутся и куда передаются эти данные) и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на шину данных, шину адреса и шину управления. По каждой линии может передаваться один бит данных, адреса или команды управления. Количество линий в шине называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего в свою очередь зависит общая производительность компьютера. То есть чем больше разрядность шины, тем больше данных одновременно может передаваться, тем выше производительность. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных по шине, которая определяется тактовой частотой шины.

Частота шины достаточно важная характеристика, но все же не определяющая производительность компьютера. Наиболее важными параметрами для общей производительности компьютера являются тактовая частота и разрядность центрального процессора. И это естественно по многим причинам. Именно процессор выполняет основные задачи по обработке данных, часто инициирует и управляет обменом данных. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций, а разрядность количество данных, обрабатываемых в процессе одной операции.

Блок-схема устройства компьютера

Поскольку данные в процессе работы хранятся в оперативной памяти, важным параметром является скорость записи в память и чтения из памяти, определяемая как время доступа к памяти. Если в процессе работы CPU приходится считывать данные и программы с внешних устройств и накопителей, на общее быстродействие начинает влиять скорость обмена данными, обеспечиваемая контроллером устройства, и быстродействие самого устройства.

Из внешних устройств очень большое влияние на производительность мультимедийного компьютера оказывает видеоконтроллер или видеокарта. При большом потоке видеоданных, используемом в современных играх, требуются быстродействующие видеокарты с видеоускорителями, или акселераторами.

Кроме рассмотренных устройств немаловажную роль играют: BIOS (базовая система ввода-вывода) и набор системных программ, определяющий многие параметры взаимодействия элементов компьютера. BIOS записывается и хранится в микросхеме постоянной памяти. В современных компьютерах для этих целей применяются микросхемы на основе флэш-технологии, позволяющие многократно перепрограммировать или, как говорят, перепрошивать BIOS.

К одной из микросхем или, как часто говорят, чипе хранятся установки конфигурации компьютера и показания часов реального времени. Выполняется эта микросхема по технологии CMOS, характеризующейся малым энергопотреблением. Для сохранения конфигурационных данных и обеспечения хода часов реального времени после выключения компьютера микросхема питается от встроенного в материнскую плату аккумулятора.

Такой принцип построения компьютера сохранен и по сей день. Хотя, используя современную элементную базу, на материнской плате можно разместить большую часть компонентов компьютера.

Одной из основных оригинальных идей архитектуры была ее открытость.

Доступность спецификации стандартной системной шины ISA позволяло третьим фирмам производить комплектующий платы расширения. В конце концов эта возможность вознесла Архитектуру IBM PC на вершину популярности.

3 Реализация архитектуры.

Составные части IBM PC.

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ IBM PC

Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков) :

· клавиатуры,позволяющей вводить символы в компьютер;

· монитора (или дисплея) для изображения текстовой и графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере "главным". В нем располагаются все основные узлы компьютера:

· электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память,контроллеры устройства и т.д.);

· блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

· дисководы для записи информации с/на переносные носители – дисководы оптических (или даже магнитных) дисков. Даже означает в данном случае архаичность последних.

· накопитель на жестом магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

К системному блоку компьютера IBM PC можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры,такими устройствами являются:

· принтер для вывода на печать текстовой и графической информации;

· мышь устройство,облегчающее ввод информации в компьютер;

· джойстик манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр;

Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера, например:

· модем для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;

· факс-модем сочетает возможность модема и телефакса;

ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА

МИКРОПРОЦЕССОР. Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропоцессор небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема,выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel,а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD,Cyrix,IBM и др.).

СОПРОЦЕССОР. В тех случаях,когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений (например,в инженерных расчетах),к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Он помогает основному микропроцессору выполнять математические операции над вещественными числами. Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и Pentium) сами умеют выполнять операции над вещественными числами, так что для них сопроцессоры не требуются.

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ. Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки,в нее они записывают полученные результаты. Название "оперативная" эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается .

КОНТРОЛЛЕРЫ И ШИНА. Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера клавиатуры, дисководов и т.д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера,а встраиваться внутрь системного блока, как это описывалось выше. Результаты выполнения программ выводятся на внешние устройства монитор, диски,принтер и т.д. Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом.

Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена :

· Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером или адаптером. Некоторые контроллеры (например контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

· Системная магистраль (шина). Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных,которую в просторечии обычно называют шиной.

Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей электронных плат. На основной плате компьютера системной, или материнской, плате обычно располагаются основной микропроцессор, сопроцессор, оперативная память и шина.

Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере шине.Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств.

4. Заключение.

Кроме удачных решений как например общая шина, архитектура IBM PC имеет и один существенный недостаток – центральный процессор. Поэтому иногда компьютеры построенные по этой архитектуре сравнивают иногда с заводом, где директор управляет всеми станками завода и увеличение производительности означает не появление ‘новых сотрудников завода’, а лишь увеличение скорости с которой работает директора.

Это в целом справедливо, хотя и нельзя не отметить, что компьютеры этого типа сумели частично учесть этот недостаток, за счет введения сопроцессоров и процессоров периферийных устройств.

Спустя более чем четверть века после своего появления архитектура IBM PC по факту является архитектурой самого массового семейства персональных компьютеров. Она продолжает эволюционировать и развиваться. Под развитием в данном случае подразумевается способность использовать новые технические и технологические новшества. Примером чего может служить USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина). Формально не имеющая отношения к архитектуре, она оказалась тем ключем который превратил компьютер из сложного в настройке технического устройства в почти бытовой прибор, не требующий от пользователя специальных знаний и навыков. Архитекура IBM PC позволила органично и безболезненно интегрировать это новшество в свою структуру.

Этим и другими примерами доказывая удачность использования данной архитектуры для персональных компьютеров.

5. Источники.

· Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X

Классическая и модифицированная гарвардская архитектура, принципы фон Неймана. История создания и архитектура IBM PC. Блок-схема устройства компьютера, особенности архитектуры персонального компьютера. Специфика расширенной гарвардской архитектуры.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	13.01.2020
Размер файла	230,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Системный блок компьютера и средства манипулирования. Архитектура фон Неймана. Архитектура компьютера разных поколений: на электронных лампах, на транзисторах, на интегральных схемах, на сверхбольших интегральных схемах. Принцип открытой архитектуры.

реферат [31,2 K], добавлен 05.07.2014

Компоновка частей компьютера и связь между ними. Понятие архитектуры персонального компьютера, принципы фон Неймана. Назначение, функции базовых программных средств, исполняемая программа. Виды, назначение, функции, специфика периферийных устройств.

контрольная работа [433,2 K], добавлен 23.09.2009

Понятие архитектуры персонального компьютера, компоновка частей компьютера и связи между ними. Составляющие системного блока ПК. Функции центрального процессора, системной платы, оперативного запоминающего устройства, видеокарты и жесткого диска.

реферат [30,7 K], добавлен 28.01.2014

Конструкция системного блока, монитора, клавиатуры и мыши персонального компьютера, как элементов его минимальной комплектации, а также их назначение, особенности работы и современные тенденции развития. Отрывки статей о новинках архитектуры компьютера.

реферат [43,4 K], добавлен 25.11.2009

Архитектура ЭВМ как общее описание ее структуры, функций и ресурсов. Схема взаимодействия устройств компьютера согласно архитектуре фон Неймана. Базовый комплекс персонального компьютера. Центральные и периферийные устройства, внутренняя архитектура.

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.

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.

Гарварда архитектура является конфигурацией компьютера , в котором данные и инструкция программы расположены в отдельных ячейках памяти, которые могут быть решены независимо друг от друга.

То есть это термин, используемый для компьютерной системы, которая содержит две отдельные области: для команд или инструкций и для данных. Следовательно, основная функция этой архитектуры - хранить данные физически разделенными, обеспечивая разные пути прохождения сигналов для инструкций и данных.

Источник: от Nessa los - собственная работа, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

В этой архитектуре формат и носители этих двух сегментов системы могут быть неодинаковыми, поскольку эти две части состоят из двух отдельных структур.

Некоторые примеры архитектур Гарварда включают ранние компьютерные системы, в которых программные инструкции могли быть на одном носителе, например, на перфокартах, а сохраненные данные могли быть на другом носителе, например, на магнитных лентах.

Приложения

Этот тип архитектуры имеет широкое применение в продуктах для обработки видео и аудио. С каждым инструментом для обработки видео и аудио можно увидеть рисунок архитектуры Гарварда.

Процессоры Analog Devices Blackfin - это именно то устройство, в котором он нашел свое основное применение. В других продуктах на базе электронных микросхем также широко используется гарвардская архитектура.

Однако большинство компьютеров используют архитектуру фон Неймана и используют кеш-память ЦП для достижения перекрытия.

происхождения

Работа, проделанная в Гарвардском университете в 1940-х годах под руководством Говарда Эйкена, позволила создать оригинальный релейный компьютер, названный Harvard Mark I, что является термином, из которого возникла концепция архитектуры Гарварда.

Этот компьютер использовал отдельные блоки памяти для хранения данных и инструкций. Затем произошли значительные изменения в этой архитектуре.

Айкен поощрял использование отдельной памяти для данных и программных инструкций, с отдельными шинами для каждой.

Первоначальная архитектура Гарварда обычно хранила инструкции на перфолентах и данные на электромеханических счетчиках.

Хранение данных на этих ранних машинах полностью находилось в центральном процессоре. С другой стороны, они не давали доступа к хранению инструкций в виде данных. Оператор должен был загрузить программы.

Гарвардская архитектура может обрабатывать данные и выполнять инструкции одновременно, поскольку каждая из них имеет собственную адресную шину.

Модель

Эта модель отличается тем, что информационные шины и хранилище физически разделены для данных и программного кода.

Поскольку шины работают автономно, данные и программные инструкции могут быть получены одновременно, что повышает скорость по сравнению с конструкцией с одной шиной.

Таким образом, модель Гарварда оказывается более сложной. Тем не менее, независимость автобусов позволяет избежать узких мест, создаваемых архитектурой фон Неймана.

Компьютер может быть быстрее для схемы определенной сложности, потому что поиск инструкций и доступ к данным не должны бороться за единственную шину памяти.

Для работы есть два адреса памяти. Следовательно, есть регистр памяти для машинных команд и другой регистр памяти для данных.

В отличие от архитектуры фон Неймана, которая использует шину для перемещения как инструкций, так и данных в памяти, архитектура Гарварда использует одну область памяти для данных, а другую - для инструкций.

Модифицированная Гарвардская архитектура

В современных компьютерах нет физического разделения областей памяти, используемых программами и данными. По этой причине можно сказать, что технологически они имеют архитектуру фон Неймана.

Однако модифицированная гарвардская архитектура наилучшим образом отражает современные компьютеры.

Несмотря на то, что современные процессоры совместно используют память, в них есть определенные элементы, такие как уникальные инструкции, которые предотвращают спутывание данных с инструкциями. Это называется модифицированной гарвардской архитектурой.

Таким образом, модифицированная гарвардская архитектура имеет две отдельные шины, одну для кода и одну для данных, но сама память является физически разделяемым элементом.

Контроллер памяти - это место, где происходит изменение, потому что это устройство является тем, которое обрабатывает память и то, как ее следует использовать.

Современный компьютерный дизайн поддерживается измененной архитектурой Гарварда. Они используются в микроконтроллерах и в цифровой обработке сигналов.

Как устроена гарвардская архитектура?

Гарвардская архитектура имеет разные адресные области памяти для программы и данных.

Это дает возможность спроектировать схему таким образом, чтобы шина и схема управления могли использоваться для обработки потока информации из памяти программ, а отдельная схема - для обработки потока информации в память данных.

Использование отдельных шин означает, что программа может извлекаться и выполняться без прерывания из-за случайной передачи данных в память данных.

Например, в простой версии этой архитектуры блок восстановления программы может быть занят извлечением следующей инструкции в программной последовательности и параллельным выполнением операции передачи данных, которая могла бы быть частью предыдущей программной инструкции. ,

На этом уровне гарвардская архитектура имеет ограничение, поскольку обычно невозможно поместить программный код в память данных и выполнить его оттуда.

Дополнения в архитектуре

К простой форме гарвардской архитектуры можно добавить множество более сложных существующих вариантов.

Распространенным дополнением является добавление кэша инструкций к шине данных программы, что позволяет блоку выполнения инструкций более быстрый доступ к следующему шагу в программе без необходимости переходить к более медленной памяти, чтобы перейти к этому шагу. программы каждый раз, когда это необходимо.

Адреса памяти

Компьютер с гарвардской архитектурой имеет разные области адресов инструкций и данных: адрес инструкции один не совпадает с областью адреса данных один.

Первый адрес инструкции может содержать 24-битное значение, а первый адрес данных может указывать на восьмибитовый байт, который не является частью этого 24-битового значения.

Система памяти

Поскольку существует отдельная область памяти для инструкций и данных, разделяющая как сигналы, так и память, в которой хранятся код и данные, это позволяет получить доступ к каждой из систем памяти одновременно.

преимущество

- При передаче меньше вероятность повреждения, так как данные и инструкции передаются по разным шинам.

- Данные и инструкции доступны таким же образом.

- Позволяет использовать разные носители для хранения инструкций и данных. Например, вы можете поместить инструкции в дешевое ПЗУ, а данные - в дорогостоящее ОЗУ.

- В двух запоминающих устройствах могут использоваться ячейки разного размера, что позволяет эффективно использовать ресурсы.

- Он имеет большую пропускную способность памяти, которая более предсказуема, поскольку имеет отдельную память для инструкций и данных.

Уровень защиты

В системах, не имеющих блока управления памятью, он предлагает дополнительный уровень защиты, поскольку данные не могут быть запущены как код, что может подвергнуть систему множеству проблем, таких как переполнение буфера.

Вот почему он популярен в небольших встроенных системах, таких как микроволновая печь или часы.

Более высокая скорость

Гарвардская архитектура позволяет читать инструкции, а также получать доступ к памяти данных одновременно с высокой скоростью.

Он предлагает более высокую производительность, поскольку позволяет одновременно получать данные и инструкции, которые хранятся в отдельных запоминающих устройствах и перемещаются по разным шинам.

Гарвардская архитектура обычно помогает компьютеру с определенным уровнем сложности работать быстрее, чем архитектура фон Неймана, при условии, что нет необходимости разделять ресурсы между кодом и памятью данных.

Если ограничения выводов или другие факторы вынуждают использовать одну шину для доступа к обоим пространствам памяти, эти преимущества, вероятно, будут в значительной степени сведены на нет.

Недостатки

Большая сложность и стоимость

Проблема с архитектурой Гарварда заключается в ее большой сложности и стоимости, потому что вместо одной шины данных теперь нужны две.

Производство компьютера с двумя шинами намного дороже и занимает больше времени. Требуется блок управления для двух автобусов, разработка которого более сложная, трудоемкая и дорогая.

Это означает более сложную реализацию для производителей. Для этого требуется больше контактов на процессоре, более сложная материнская плата и необходимость дублировать микросхемы ОЗУ, а также более сложная конструкция кеша.

Мало пользы

Гарвардская архитектура широко не используется, что затрудняет ее реализацию. Вот почему он редко используется вне процессора.

Однако эта архитектура иногда используется в ЦП для управления его кешами.

Неправильное использование пространства памяти

Когда в памяти данных есть свободное место, его нельзя использовать для хранения инструкций, и наоборот.

Поэтому конкретные воспоминания, посвященные каждому из них, должны быть тщательно сбалансированы при их изготовлении.

Читайте также: