Разница между фон Нейман и Гарвардской архитектуры

Существует два типа цифровых компьютерных архитектур, которые описывают функциональность и реализацию компьютерных систем. Одной из них является архитектура фон Неймана, которая была разработана известным физиком и математиком Джоном фон Нейманом в конце 1940-х годов, а другая - архитектурой Гарварда, которая была основана на оригинальном ретрансляционном компьютере Гарварда Марка I, который использовал отдельные системы памяти для хранить данные и инструкции.

Оригинальная гарвардская архитектура использовалась для хранения инструкций на перфоленте и данных в электромеханических счетчиках. Архитектура фон Неймана составляет основу современных вычислений и проще в реализации. В этой статье рассматриваются две компьютерные архитектуры в отдельности и объясняется разница между двумя.

Что такое архитектура фон Неймана?

Это теоретический проект, основанный на концепции компьютеров с хранимой программой, в которых программные данные и данные команд хранятся в одной и той же памяти.

Архитектура была разработана известным математиком и физиком Джоном фон Нейманом в 1945 году. До концепции компьютерного проектирования фон Неймана вычислительные машины были предназначены для единственной заранее определенной цели, которая не требовала бы изощренности из-за ручного перемонтажа схемотехники..

Идея архитектуры фон Неймана заключается в способности хранить инструкции в памяти вместе с данными, с которыми они работают. Короче говоря, архитектура фон Неймана относится к общей структуре, которой должны следовать аппаратные средства, программирование и данные компьютера..

Архитектура фон Неймана состоит из трех отдельных компонентов: центрального процессора (ЦП), блока памяти и интерфейсов ввода / вывода (I / O). Центральный процессор является сердцем компьютерной системы, которая состоит из трех основных компонентов: Арифметико-логического блока (АЛУ), блока управления (БУ) и регистров..

АЛУ отвечает за выполнение всех арифметических и логических операций с данными, тогда как блок управления определяет порядок потока команд, которые должны быть выполнены в программах, путем выдачи сигналов управления аппаратному обеспечению..

Регистры - это в основном временные хранилища, в которых хранятся адреса инструкций, которые необходимо выполнить. Блок памяти состоит из оперативной памяти, которая является основной памятью, используемой для хранения данных программы и инструкций. Интерфейсы ввода / вывода позволяют пользователям взаимодействовать с внешним миром, таким как устройства хранения.

Что такое Гарвардская архитектура?

Это компьютерная архитектура с физически отдельным хранилищем и сигнальными путями для данных и инструкций программы. В отличие от архитектуры фон Неймана, которая использует одну шину для извлечения инструкций из памяти и передачи данных из одной части компьютера в другую, архитектура Гарварда имеет отдельное пространство памяти для данных и инструкций.

Обе концепции похожи, за исключением того, как они получают доступ к воспоминаниям. Идея гарвардской архитектуры состоит в том, чтобы разделить память на две части - одну для данных, а другую для программ. Термины были основаны на исходном компьютере с ретрансляцией Harvard Mark I, в котором использовалась система, которая позволяла одновременно выполнять как передачу данных, так и передачу данных и команд.

Реальные компьютерные конструкции фактически основаны на модифицированной гарвардской архитектуре и обычно используются в микроконтроллерах и DSP (цифровая обработка сигналов).

Разница между фон Нейман и Гарвардской архитектуры

Основы фон Неймана и Гарвардской архитектуры

Архитектура фон Неймана - это теоретический компьютерный дизайн, основанный на концепции хранимых программ, где программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Концепция была разработана математиком Джоном фон Нейманом в 1945 году и в настоящее время служит основой почти всех современных компьютеров. Гарвардская архитектура была основана на исходной компьютерной модели ретранслятора Harvard Mark I, в которой использовались отдельные шины для данных и инструкций..

Система памяти фон Неймана и Гарвардской архитектуры

Архитектура фон Неймана имеет только одну шину, которая используется как для извлечения команд, так и для передачи данных, и операции должны быть запланированы, поскольку они не могут быть выполнены одновременно. Гарвардская архитектура, с другой стороны, имеет отдельное пространство памяти для инструкций и данных, которые физически разделяют сигналы и хранилище для кода и памяти данных, что, в свою очередь, позволяет получить доступ к каждой из систем памяти одновременно.

Обработка инструкций фон Неймана и Гарвардской архитектуры

В архитектуре фон Неймана процессору потребовалось бы два такта для выполнения инструкции. Процессор выбирает инструкцию из памяти в первом цикле и декодирует ее, а затем данные берутся из памяти во втором цикле. В гарвардской архитектуре процессор может выполнить инструкцию за один цикл, если имеются соответствующие стратегии конвейерной обработки.

Стоимость фон Неймана и Гарвардской архитектуры

Поскольку инструкции и данные используют одну и ту же систему шин в архитектуре Von Neumann, это упрощает проектирование и разработку блока управления, что в конечном итоге снижает стоимость производства до минимума. Разработка блока управления в гарвардской архитектуре обходится дороже, чем первая из-за сложной архитектуры, в которой используются две шины для инструкций и данных.

Использование фон Неймана и Гарвардской архитектуры

Архитектура фон Неймана в основном используется на каждой машине, которую вы видите, от настольных компьютеров и ноутбуков до высокопроизводительных компьютеров и рабочих станций. Гарвардская архитектура - довольно новая концепция, используемая в основном в микроконтроллерах и цифровой обработке сигналов (DSP)..

Архитектура фон Неймана против Гарварда: сравнительная таблица

Резюме фон Неймана против Гарвардской архитектуры

Архитектура фон Неймана похожа на архитектуру Гарварда, за исключением того, что она использует одну шину для выполнения как выборок команд, так и передачи данных, поэтому операции должны планироваться. Гарвардская архитектура, с другой стороны, использует два отдельных адреса памяти для данных и инструкций, что позволяет передавать данные на обе шины одновременно. Однако сложная архитектура только увеличивает стоимость разработки блока управления по сравнению с более низкой стоимостью разработки менее сложной архитектуры фон Неймана, в которой используется единый унифицированный кеш.