- การประยุกต์ใช้งาน
- ที่มา
- แบบ
- สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดดัดแปลง
- สถาปัตยกรรมของฮาร์วาร์ดทำงานอย่างไร?
- เพิ่มเติมในสถาปัตยกรรม
- ที่อยู่หน่วยความจำ
- ระบบหน่วยความจำ
- ความได้เปรียบ
- ระดับการป้องกัน
- ความเร็วที่สูงขึ้น
- ข้อเสีย
- ความซับซ้อนและต้นทุนที่มากขึ้น
- ใช้งานน้อย
- การใช้พื้นที่หน่วยความจำในทางที่ผิด
- อ้างอิง
สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์คือการกำหนดค่าของคอมพิวเตอร์ซึ่งข้อมูลและคำแนะนำของโปรแกรมที่จะอยู่ในเซลล์ที่แยกต่างหากจากหน่วยความจำซึ่งสามารถได้รับการแก้ไขอย่างเป็นอิสระ
นั่นคือเป็นคำที่ใช้สำหรับระบบคอมพิวเตอร์ที่มีพื้นที่สองส่วนแยกกัน: สำหรับคำสั่งหรือคำสั่งและสำหรับข้อมูล ดังนั้นหน้าที่หลักของสถาปัตยกรรมนี้คือการจัดเก็บข้อมูลที่แยกออกจากกันโดยให้เส้นทางสัญญาณที่แตกต่างกันสำหรับคำแนะนำและข้อมูล
ที่มา: จาก Nessa los - งานของตัวเอง CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia
ในสถาปัตยกรรมนี้ทั้งรูปแบบและสื่อของทั้งสองส่วนของระบบอาจไม่เท่ากันเนื่องจากทั้งสองส่วนประกอบด้วยโครงสร้างสองส่วนที่แยกจากกัน
ตัวอย่างบางส่วนของสถาปัตยกรรมของฮาร์วาร์ดเกี่ยวข้องกับระบบคอมพิวเตอร์ในยุคแรก ๆ โดยที่คำแนะนำของโปรแกรมอาจอยู่ในสื่อหนึ่งตัวอย่างเช่นบนบัตรเจาะรูและข้อมูลที่จัดเก็บอาจอยู่ในสื่ออื่นเช่นบนเทปแม่เหล็ก
การประยุกต์ใช้งาน
สถาปัตยกรรมประเภทนี้มีการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในผลิตภัณฑ์ประมวลผลภาพและเสียง ด้วยเครื่องมือแต่ละอย่างในการประมวลผลวิดีโอและเสียงสามารถมองเห็นรูปของสถาปัตยกรรม Harvard ได้
อุปกรณ์อนาล็อกโปรเซสเซอร์ Blackfin เป็นอุปกรณ์เฉพาะที่พบว่ามีการใช้งานหลัก ในผลิตภัณฑ์ที่ใช้ชิปอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ สถาปัตยกรรมของ Harvard ก็ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายเช่นกัน
อย่างไรก็ตามคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ใช้สถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์และใช้แคช CPU เพื่อให้เกิดการทับซ้อนกัน
ที่มา
งานที่ทำที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในช่วงทศวรรษที่ 1940 ภายใต้การนำของ Howard Aiken ได้สร้างคอมพิวเตอร์ที่ใช้รีเลย์แบบดั้งเดิมเรียกว่า Harvard Mark I ซึ่งเป็นคำที่มาจากแนวคิดของสถาปัตยกรรม Harvard
คอมพิวเตอร์เครื่องนี้ใช้หน่วยความจำแยกต่างหากเพื่อจัดเก็บข้อมูลและคำสั่ง จากนั้นมีการพัฒนาอย่างมีนัยสำคัญกับสถาปัตยกรรมนี้
Aiken สนับสนุนให้ใช้ความทรงจำที่แยกจากกันสำหรับข้อมูลและสำหรับคำแนะนำของโปรแกรมโดยมีบัสแยกกันสำหรับแต่ละคน
โดยทั่วไปสถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดดั้งเดิมจะจัดเก็บคำแนะนำไว้ในเทปเจาะรูและข้อมูลบนเคาน์เตอร์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า
การจัดเก็บข้อมูลของเครื่องในยุคแรก ๆ เหล่านี้อยู่ในหน่วยประมวลผลกลางทั้งหมด ในทางกลับกันพวกเขาไม่ได้ให้สิทธิ์เข้าถึงคำแนะนำเพื่อจัดเก็บเป็นข้อมูล โอเปอเรเตอร์ต้องโหลดโปรแกรม
สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดสามารถประมวลผลข้อมูลและดำเนินการตามคำสั่งได้ในเวลาเดียวกันเนื่องจากแต่ละส่วนมีแอดเดรสบัสของตัวเอง
แบบ
โมเดลนี้มีลักษณะเฉพาะที่บัสข้อมูลและที่เก็บข้อมูลแยกออกจากกันสำหรับข้อมูลและรหัสโปรแกรม
ในขณะที่รถโดยสารทำงานแบบอิสระสามารถรับข้อมูลและคำแนะนำของโปรแกรมได้ในเวลาเดียวกันซึ่งจะช่วยเพิ่มความเร็วในการออกแบบบัสเดียว
ดังนั้นโมเดลของฮาร์วาร์ดจึงมีความซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตามการมีรถประจำทางอย่างอิสระจะช่วยหลีกเลี่ยงคอขวดที่ผลิตโดยสถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์
คอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้เร็วขึ้นสำหรับวงจรที่มีความซับซ้อนบางอย่างเนื่องจากการค้นหาคำสั่งและการเข้าถึงข้อมูลไม่จำเป็นต้องต่อสู้เพื่อบัสหน่วยความจำเดียว
ในการทำงานมีที่อยู่หน่วยความจำสองแห่ง ดังนั้นจึงมีการลงทะเบียนหน่วยความจำสำหรับคำแนะนำของเครื่องและการลงทะเบียนหน่วยความจำอื่นสำหรับข้อมูล
ไม่เหมือนกับสถาปัตยกรรมฟอนนอยมันน์ซึ่งใช้บัสเพื่อย้ายทั้งคำสั่งและข้อมูลในหน่วยความจำสถาปัตยกรรม Harvard ใช้พื้นที่หน่วยความจำหนึ่งสำหรับข้อมูลและอีกส่วนหนึ่งสำหรับคำสั่ง
สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดดัดแปลง
ในคอมพิวเตอร์ปัจจุบันไม่มีการแบ่งแยกพื้นที่หน่วยความจำที่ใช้โดยโปรแกรมและข้อมูล ด้วยเหตุนี้จึงกล่าวได้ว่าในทางเทคโนโลยีพวกเขามีสถาปัตยกรรมแบบฟอนนอยมันน์
อย่างไรก็ตามสถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดที่ได้รับการแก้ไขนั้นทำหน้าที่แทนคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันได้ดีที่สุด
แม้ว่าหน่วยประมวลผลในปัจจุบันจะใช้หน่วยความจำร่วมกัน แต่ก็มีองค์ประกอบบางอย่างเช่นคำสั่งเฉพาะที่ป้องกันไม่ให้ข้อมูลยุ่งเกี่ยวกับคำสั่ง สิ่งนี้เรียกว่าสถาปัตยกรรม Harvard ที่ปรับเปลี่ยน
ดังนั้นสถาปัตยกรรม Harvard ที่ได้รับการแก้ไขจึงมีบัสสองตัวแยกกันหนึ่งตัวสำหรับรหัสและอีกอันสำหรับข้อมูล แต่หน่วยความจำนั้นเป็นองค์ประกอบที่ใช้ร่วมกันทางกายภาพ
ตัวควบคุมหน่วยความจำคือตำแหน่งที่การเปลี่ยนแปลงอยู่เนื่องจากอุปกรณ์นี้เป็นอุปกรณ์ที่จัดการกับหน่วยความจำและควรใช้อย่างไร
การออกแบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ได้รับการสนับสนุนโดยสถาปัตยกรรม Harvard ที่ปรับเปลี่ยน ใช้ในไมโครคอนโทรลเลอร์และในการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล
สถาปัตยกรรมของฮาร์วาร์ดทำงานอย่างไร?
สถาปัตยกรรม Harvard มีพื้นที่แอดเดรสหน่วยความจำที่แตกต่างกันสำหรับโปรแกรมและสำหรับข้อมูล
ส่งผลให้ความสามารถในการออกแบบวงจรในลักษณะที่บัสและวงจรควบคุมสามารถใช้เพื่อจัดการการไหลของข้อมูลจากหน่วยความจำโปรแกรมและแยกต่างหากเพื่อจัดการการไหลของข้อมูลไปยังหน่วยความจำข้อมูล
การใช้บัสแยกกันหมายความว่าจะสามารถดึงและเรียกใช้โปรแกรมได้โดยไม่ถูกขัดจังหวะด้วยการถ่ายโอนข้อมูลไปยังหน่วยความจำข้อมูลเป็นครั้งคราว
ตัวอย่างเช่นในเวอร์ชันที่เรียบง่ายของสถาปัตยกรรมนี้หน่วยกู้คืนโปรแกรมอาจไม่ว่างในการดึงคำสั่งถัดไปในลำดับโปรแกรมและดำเนินการถ่ายโอนข้อมูลแบบคู่ขนานซึ่งอาจเป็นส่วนหนึ่งของคำสั่งโปรแกรมก่อนหน้านี้ .
ในระดับนี้สถาปัตยกรรม Harvard มีข้อ จำกัด เนื่องจากโดยทั่วไปไม่สามารถใส่รหัสโปรแกรมในหน่วยความจำข้อมูลและเรียกใช้งานจากที่นั่นได้
เพิ่มเติมในสถาปัตยกรรม
สามารถเพิ่มตัวแปรที่มีอยู่ที่ซับซ้อนมากขึ้นในรูปแบบง่ายๆของสถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ด
การเพิ่มทั่วไปคือการเพิ่มแคชคำสั่งลงในบัสข้อมูลของโปรแกรมทำให้หน่วยประมวลผลคำสั่งเข้าถึงขั้นตอนถัดไปในโปรแกรมได้เร็วขึ้นโดยไม่ต้องไปที่หน่วยความจำที่ช้ากว่าเพื่อไปยังขั้นตอน ของโปรแกรมทุกครั้งที่จำเป็น
ที่อยู่หน่วยความจำ
คอมพิวเตอร์สถาปัตยกรรม Harvard มีพื้นที่คำสั่งและที่อยู่ข้อมูลที่แตกต่างกัน: ที่อยู่คำสั่งหนึ่งไม่ใช่พื้นที่เดียวกับที่อยู่ข้อมูล
ที่อยู่คำสั่งหนึ่งอาจมีค่ายี่สิบสี่บิตในขณะที่ที่อยู่ข้อมูลหนึ่งสามารถระบุไบต์แปดบิตซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของค่ายี่สิบสี่บิตนั้น
ระบบหน่วยความจำ
เนื่องจากมีพื้นที่หน่วยความจำแยกต่างหากสำหรับคำแนะนำและข้อมูลแยกทั้งสัญญาณและหน่วยความจำที่จัดเก็บรหัสและข้อมูลจึงทำให้สามารถเข้าถึงระบบหน่วยความจำแต่ละระบบได้พร้อมกัน
ความได้เปรียบ
- มีโอกาสเสียหายน้อยกว่าในการรับส่งเนื่องจากข้อมูลและคำแนะนำจะถูกถ่ายโอนผ่านบัสที่แตกต่างกัน
- เข้าถึงข้อมูลและคำแนะนำในลักษณะเดียวกัน
- อนุญาตสื่อเก็บข้อมูลที่แตกต่างกันสำหรับคำแนะนำและข้อมูล ตัวอย่างเช่นคุณสามารถใส่คำแนะนำใน ROM ราคาไม่แพงและข้อมูลใน RAM ราคาแพง
- ความทรงจำทั้งสองสามารถใช้ขนาดเซลล์ที่แตกต่างกันได้ดังนั้นจึงใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ
- มีแบนด์วิดท์หน่วยความจำที่มากขึ้นซึ่งสามารถคาดเดาได้มากขึ้นโดยมีหน่วยความจำแยกต่างหากสำหรับคำแนะนำและข้อมูล
ระดับการป้องกัน
ในระบบที่ไม่มีหน่วยจัดการหน่วยความจำจะมีระดับการป้องกันเพิ่มเติมเนื่องจากข้อมูลไม่สามารถเริ่มทำงานเป็นรหัสได้ซึ่งจะทำให้ระบบประสบปัญหามากมายเช่นบัฟเฟอร์ล้น
นั่นคือเหตุผลที่นิยมใช้กับระบบฝังตัวขนาดเล็กเช่นไมโครเวฟหรือนาฬิกา
ความเร็วที่สูงขึ้น
สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดสามารถอ่านคำสั่งและเข้าถึงหน่วยความจำข้อมูลพร้อมกันด้วยความเร็วที่รวดเร็ว
มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าเนื่องจากช่วยให้การรับข้อมูลและคำแนะนำพร้อมกันสามารถจัดเก็บไว้ในความทรงจำแยกกันและเดินทางผ่านรถประจำทางต่างๆ
โดยทั่วไปสถาปัตยกรรม Harvard จะช่วยให้คอมพิวเตอร์ที่มีความซับซ้อนระดับหนึ่งทำงานได้เร็วกว่าสถาปัตยกรรม Von Neumann ตราบใดที่ไม่จำเป็นต้องแชร์ทรัพยากรระหว่างรหัสและความทรงจำข้อมูล
หากข้อ จำกัด ของพินหรือปัจจัยอื่น ๆ บังคับให้ใช้บัสเดียวเพื่อเข้าถึงพื้นที่หน่วยความจำทั้งสองประโยชน์เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะถูกลบล้างไปอย่างมาก
ข้อเสีย
ความซับซ้อนและต้นทุนที่มากขึ้น
ปัญหาเกี่ยวกับสถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดคือความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายสูงเพราะแทนที่จะใช้บัสข้อมูลเดียวตอนนี้จำเป็นต้องใช้สองบัส
การผลิตคอมพิวเตอร์สองบัสมีราคาแพงกว่ามากและใช้เวลาในการผลิตนานกว่า ต้องใช้ชุดควบคุมสำหรับรถบัสสองคันซึ่งมีความซับซ้อนและใช้เวลานานและมีราคาแพงในการพัฒนา
ซึ่งหมายถึงการใช้งานที่ซับซ้อนมากขึ้นสำหรับผู้ผลิต ต้องใช้พินบน CPU มากขึ้นมาเธอร์บอร์ดที่ซับซ้อนมากขึ้นและต้องทำซ้ำชิป RAM รวมถึงการออกแบบแคชที่ซับซ้อนมากขึ้น
ใช้งานน้อย
สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ดไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายทำให้ยากต่อการนำไปใช้ ด้วยเหตุนี้จึงไม่ค่อยมีการใช้งานนอกซีพียู
อย่างไรก็ตามสถาปัตยกรรมนี้บางครั้งใช้ภายใน CPU เพื่อจัดการแคช
การใช้พื้นที่หน่วยความจำในทางที่ผิด
เมื่อมีพื้นที่ว่างในหน่วยความจำข้อมูลจะไม่สามารถใช้เพื่อจัดเก็บคำแนะนำและในทางกลับกัน
ดังนั้นความทรงจำเฉพาะที่อุทิศให้กับแต่ละคนจะต้องมีความสมดุลอย่างรอบคอบในการผลิต
อ้างอิง
- รายการความแตกต่าง (2019) ความแตกต่างระหว่าง Von Neumann และ Harvard Architecture นำมาจาก: listdifferences.com.
- นิตยสาร PC (2019) คำจำกัดความของ: สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ด นำมาจาก: pcmag.com.
- เทโคพีเดีย (2019). สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ด นำมาจาก: ceilingpedia.com.
- Scott Thornton (2018). อะไรคือความแตกต่างระหว่างสถาปัตยกรรม Von-Neumann และ Harvard? เคล็ดลับไมโครคอนโทรลเลอร์ นำมาจาก: microcontrollertips.com.
- Wikipedia สารานุกรมเสรี (2019) สถาปัตยกรรมฮาร์วาร์ด นำมาจาก: en.wikipedia.org.
- โปรแกรมเมอร์บ้า (2019) ความแตกต่างระหว่าง Von Neumann และ Harvard Architecture นำมาจาก: thecrazyprogrammer.com.