Diferența dintre Von Neumann și arhitectura Harvard

Există două tipuri de arhitecturi digitale de calculatoare care descriu funcționalitatea și implementarea sistemelor informatice. Una este arhitectura lui Von Neumann proiectată de renumitul fizician și matematician John Von Neumann la sfârșitul anilor 1940, iar cealaltă este arhitectura Harvard, care a fost bazată pe calculatorul original bazat pe releu Harvard Mark I, care folosea sisteme de memorie separate stocați datele și instrucțiunile.

Arhitectura originală Harvard a folosit pentru a stoca instrucțiunile pe bandă perforată și date în contoare electro-mecanice. Arhitectura Von Neumann formează baza computerizării moderne și este mai ușor de implementat. Acest articol analizează individual cele două arhitecturi de calculatoare și explică diferența dintre cele două.

Ce este arhitectura lui Von Neumann?

Este un design teoretic bazat pe conceptul de computere cu programe stocate unde datele de program și instrucțiunile sunt stocate în aceeași memorie.

Arhitectura a fost proiectată de matematicianul și fizicianul renumit John Von Neumann în 1945. Până la conceptul Von Neumann de proiectare a calculatoarelor, mașinile de calcul au fost proiectate pentru un singur scop predeterminat, care ar fi lipsit de sofisticare din cauza reluării manuale a circuitelor.

Ideea din spatele arhitecturilor Von Neumann este abilitatea de a stoca instrucțiuni în memorie împreună cu datele pe care funcționează instrucțiunile. Pe scurt, arhitectura Von Neumann se referă la un cadru general pe care ar trebui să-l urmeze hardware-ul, programarea și datele calculatorului.

Arhitectura Von Neumann este compusă din trei componente distincte: o unitate de procesare centrală (CPU), unitate de memorie și interfețe de intrare / ieșire (I / O). CPU este inima sistemului informatic care constă din trei componente principale: unitatea de aritmetică și logică (ALU), unitatea de comandă (CU) și registrele.

ALU este responsabilă pentru efectuarea tuturor operațiilor aritmetice și logice ale datelor, în timp ce unitatea de control determină ordinea fluxului de instrucțiuni care trebuie executate în programe prin emiterea de semnale de control către hardware.

Registrele sunt, în principiu, locații de stocare temporară care stochează adresele instrucțiunilor care trebuie executate. Unitatea de memorie este formată din memoria RAM, memoria principală utilizată pentru a stoca datele și instrucțiunile programului. Interfețele I / O permit utilizatorilor să comunice cu lumea exterioară, cum ar fi dispozitivele de stocare.

Ce este Arhitectura Harvard?

Este o arhitectură a calculatoarelor cu stocare separată fizic și căi de semnal pentru datele și instrucțiunile de program. Spre deosebire de arhitectura Von Neumann care utilizează un singur autobuz atât pentru preluarea instrucțiunilor din memorie, cât și pentru transferul datelor de la o parte a unui computer la altul, arhitectura Harvard are un spațiu de memorie separat pentru date și instrucțiuni.

Ambele concepte sunt similare, cu excepția modului în care accesează amintirile. Ideea din spatele arhitecturii Harvard este de a împărți memoria în două părți - una pentru date și una pentru programe. Termenii se bazau pe calculatorul original bazat pe releu Harvard Mark I, care folosea un sistem care să permită efectuarea atât a datelor cât și a transferurilor și a preluărilor de instrucțiuni în același timp.

Modelele calculatoarelor din lumea reală se bazează de fapt pe arhitectura modificată Harvard și sunt utilizate în mod obișnuit în microcontrolere și DSP (Digital Signal Processing).

Diferența dintre Von Neumann și arhitectura Harvard

Noțiuni de bază despre Von Neumann și Arhitectura Harvard

Arhitectura Von Neumann este un design teoretic al calculatorului bazat pe conceptul de program stocat unde programele și datele sunt stocate în aceeași memorie. Conceptul a fost conceput de un matematician John von Neumann în 1945 și care în prezent servește drept bază pentru aproape toate computerele moderne. Arhitectura Harvard a fost bazată pe modelul original de computere bazat pe releu Harvard Mark I, care folosea autobuze separate pentru date și instrucțiuni.

Sistemul de memorie din Von Neumann și arhitectura Harvard

Arhitectura Von Neumann are doar o singură magistrală care este utilizată atât pentru preluarea instrucțiunilor, cât și pentru transferurile de date, iar operațiunile trebuie programate deoarece nu pot fi executate în același timp. Arhitectura Harvard, pe de altă parte, are un spațiu de memorie separat pentru instrucțiuni și date, care separă fizic semnalele și memoria de memorie pentru cod și memorie, ceea ce permite simultan accesarea fiecărui sistem de memorie simultan.

Instrucțiunea de prelucrare a arhitecturii Von Neumann și Harvard

În arhitectura lui Von Neumann, unitatea de procesare avea nevoie de două cicluri de ceas pentru a finaliza o instrucțiune. Procesorul extrage instrucțiunea din memorie în primul ciclu și îl decodifică, iar apoi datele sunt preluate din memorie în al doilea ciclu. În arhitectura Harvard, unitatea de procesare poate finaliza o instrucțiune într-un singur ciclu dacă există strategii de conducere adecvate.

Costul lui Von Neumann și arhitecturii Harvard

Dat fiind că instrucțiunile și datele folosesc același sistem de autobuze în arhitectura Von Neumann, acesta simplifică proiectarea și dezvoltarea unității de comandă, ceea ce reduce în cele din urmă costul de producție la minim. Dezvoltarea unității de control în arhitectura Harvard este mai scumpă decât prima datorită arhitecturii complexe care utilizează două magistrale pentru instrucțiuni și date.

Utilizarea lui Von Neumann și a arhitecturii Harvard

Arhitectura Von Neumann este folosită în principal în fiecare mașină pe care o vedeți de la computere desktop și notebook-uri la calculatoare de înaltă performanță și stații de lucru. Arhitectura Harvard este un concept destul de nou folosit în principal în microcontrolere și procesarea digitală a semnalelor (DSP).

Von Neumann vs. Arhitectura Harvard: Graficul de comparație

Rezumatul lui Von Neumann vs. Arhitectura Harvard

Arhitectura lui Von Neumann este similară cu cea a arhitecturii Harvard, cu excepția faptului că utilizează un singur magistral pentru a efectua atât preluări de instrucțiuni, cât și transferuri de date, astfel încât operațiunile trebuie programate. Arhitectura Harvard, pe de altă parte, utilizează două adrese separate de memorie pentru date și instrucțiuni, ceea ce face posibilă alimentarea datelor în ambele autobuze în același timp. Cu toate acestea, arhitectura complexă adaugă doar la costul de dezvoltare al unității de control față de costul de dezvoltare mai mic al arhitecturii Von Neumann mai puțin complexă, care utilizează o singură cache unificată.