Rozdíl mezi Von Neumannem a Harvardskou architekturou

Existují dva typy architektur digitálních počítačů, které popisují funkčnost a implementaci počítačových systémů. Jedním z nich je architektura Von Neumann, která byla navržena renomovaným fyzikem a matematikem Johnem Von Neumannem na konci 40. let 20. století, a druhá je architektura Harvard, která byla založena na původním počítači založeném na přenosu na Harvardu Mark I, který používal samostatné paměťové systémy ukládat data a pokyny.

Původní architektura Harvardu používala k ukládání instrukcí na děrnou pásku a data v elektromechanických čítačích. Architektura Von Neumann tvoří základ moderních počítačových systémů a je snadněji implementovatelná. Tento článek zkoumá jednotlivé architektury počítačů samostatně a vysvětluje rozdíl mezi nimi.

Co je Von Neumann Architecture?

Jde o teoretický návrh založený na konceptu počítačů s uloženým programem, kde jsou programová data a instrukční data uložena ve stejné paměti.

Architektura byla navržena renomovaným matematikem a fyzikem Johnem Von Neumannem v roce 1945. Až do konceptu počítačového designu Von Neumanna byly počítačové stroje konstruovány pro jediný předem určený účel, kterému by chybělo sofistikovanost kvůli ručnímu opětovnému zapojení obvodů..

Myšlenkou architektury Von Neumanna je schopnost ukládat instrukce do paměti spolu s daty, na nichž tyto instrukce pracují. Stručně řečeno, architektura Von Neumann odkazuje na obecný rámec, který by měl následovat hardware, programování a data počítače.

Architektura Von Neumanna sestává ze tří různých komponent: centrální procesorové jednotky (CPU), paměťové jednotky a rozhraní vstup / výstup (I / O). CPU je jádrem počítačového systému, který se skládá ze tří hlavních komponent: aritmetické a logické jednotky (ALU), řídicí jednotky (CU) a registrů.

ALU odpovídá za provádění všech aritmetických a logických operací s daty, zatímco řídicí jednotka určuje pořadí toků instrukcí, které je třeba provést v programech, vydáním řídicích signálů hardwaru..

Registry jsou v podstatě dočasná úložiště, která ukládají adresy instrukcí, které je třeba provést. Paměťová jednotka se skládá z paměti RAM, která je hlavní pamětí používanou k ukládání programových dat a pokynů. I / O rozhraní umožňuje uživatelům komunikovat s okolním světem, jako jsou paměťová zařízení.

Co je Harvardská architektura?

Je to počítačová architektura s fyzicky oddělenými paměťovými a signálovými cestami pro programová data a instrukce. Na rozdíl od architektury Von Neumanna, která využívá jedinou sběrnici k oběma získáváním instrukcí z paměti a přenosu dat z jedné části počítače do druhé, má architektura Harvardu samostatný paměťový prostor pro data a instrukce.

Oba koncepty jsou podobné, kromě způsobu, jakým přistupují ke vzpomínkám. Myšlenkou architektury Harvardu je rozdělení paměti na dvě části - jednu pro data a druhou pro programy. Termíny byly založeny na původním počítači založeném na relé Harvard Mark I, který používal systém, který by umožňoval provádět data i přenosy a načítání instrukcí současně.

Počítačové designy ve skutečném světě jsou ve skutečnosti založeny na upravené architektuře Harvard a běžně se používají v mikrokontrolérech a DSP (Digital Signal Processing).

Rozdíl mezi Von Neumannem a Harvardskou architekturou

Základy architektury von Neumanna a Harvarda

Architektura Von Neumann je teoretický návrh počítače založený na konceptu uloženého programu, kde jsou programy a data uloženy ve stejné paměti. Tuto koncepci navrhl matematik John Von Neumann v roce 1945 a v současnosti slouží jako základ téměř všech moderních počítačů. Architektura Harvardu byla založena na originálním počítačovém modelu Harvard Mark I, který používal oddělené sběrnice pro data a instrukce.

Paměťový systém von Neumannovy a Harvardovy architektury

Architektura Von Neumann má pouze jednu sběrnici, která se používá jak pro vyvolání instrukcí, tak pro přenosy dat, a operace musí být naplánovány, protože nemohou být provedeny současně. Harvardská architektura má naproti tomu samostatný paměťový prostor pro instrukce a data, který fyzicky odděluje signály a úložiště pro kódovou a datovou paměť, což zase umožňuje přistupovat ke každému paměťovému systému současně..

Instrukční zpracování von Neumannovy a Harvardovy architektury

Ve Von Neumannové architektuře by procesorová jednotka potřebovala dva hodinové cykly k dokončení instrukce. Procesor načte instrukci z paměti v prvním cyklu a dekóduje ji a poté jsou data převzata z paměti ve druhém cyklu. V architektuře Harvard může zpracovatelská jednotka dokončit instrukce v jednom cyklu, pokud jsou zavedeny vhodné strategie potrubí.

Náklady na architekturu Von Neumanna a Harvarda

Protože instrukce a data používají stejný sběrnicový systém v architektuře Von Neumann, zjednodušuje design a vývoj řídicí jednotky, což nakonec snižuje výrobní náklady na minimum. Vývoj řídicí jednotky v architektuře Harvard je dražší než dřívější kvůli složité architektuře, která používá dva autobusy pro instrukce a data.

Použití architektury Von Neumanna a Harvarda

Architektura Von Neumann se používá hlavně v každém počítači, který vidíte, od stolních počítačů a notebooků po vysoce výkonné počítače a pracovní stanice. Harvardská architektura je poměrně nový koncept používaný především v mikrokontrolérech a digitálním zpracování signálů (DSP)..

Von Neumann vs. Harvardská architektura: srovnávací tabulka

Shrnutí Von Neumann vs. Harvard Architecture

Architektura Von Neumanna je podobná architektuře Harvardu s tou výjimkou, že používá jedinou sběrnici pro provádění instrukčních a datových přenosů, takže operace musí být naplánovány. Harvardská architektura naproti tomu používá dvě oddělené paměťové adresy pro data a instrukce, což umožňuje vkládat data do obou sběrnic současně. Složitá architektura však pouze zvyšuje náklady na vývoj řídicí jednotky oproti nižším nákladům na vývoj méně složité architektury Von Neumanna, která využívá jednu sjednocenou mezipaměť..