Harvardská architektura

ÚVOD

Mikrokontroléry obecně používají dva typy architektury.

• Von Neumannova architektura
• Harvardova architektura

Von Neumannova architektura se skládá z řídicí jednotky, aritmetické a LOGICKÉ jednotky, vstupů/výstupů a registrů.

Von Neumannově architektuře, kterou používá mnoho mikrokontrolérů, je paměťový prostor na stejné sběrnici, a proto instrukce a data hodlají používat stejnou paměť. Využívá koncepci počítače s uloženým programem.

Harvardova architektura se skládá z aritmeticko-logické jednotky, datové paměti, vstupu/výstupu, datové paměti, paměti instrukcí a řídicí jednotky.

Harvardova architektura, má oddělenou paměť pro data a instrukce. Tímto způsobem lze načítat instrukce i data současně, což je pro uživatele pohodlné.

U harvardské architektury se instrukce používají v paměti pouze pro čtení a data v paměti pro zápis a čtení.

Harvardská architektura se většinou používá s procesorem, ale někdy se používá s hlavní pamětí, protože je trochu složitější a dražší.

Velikost paměti pro instrukce i data je u harvardské architektury odlišná. Programy nikdy nemohou běžet automaticky a organizace paměti není v rukou uživatele. V tomto článku se můžeme podívat na různé vlastnosti harvardské architektury.

PŘÍKLADY HARVARDSKÉ ARCHITEKTURY

Jedním z příkladů harvardské architektury jsou rané počítačové systémy Mainframe, kde jsou instrukce uloženy na jednom programovém médiu, jako jsou děrné štítky, a data na druhém [programovém médiu, jako jsou pásky. Výsledkem harvardské architektury jsou jejich odpovídající obrazy.

Příkladem harvardské architektury jsou také stroje pro tok dat a redukční stroje. Vykazují vysokou míru paralelismu, což znamená, že výsledky z dat a instrukcí lze získat současně.

Kvantové počítače lze také uvést jako příklad harvardské architektury. Rozdíl mezi ostatními počítači a kvantovým počítačem spočívá v tom, že čas, který potřebují k dokončení úlohy, a pořadí, v němž upřednostňují své časování.

Stroje Enigma, které se používaly ve světových válkách, se také řídí harvardskou architekturou,

Dalším hlavním příkladem harvardské architektury je DIGITÁLNÍ SIGNÁLOVÝ PROCESOR, který je primárně závislý na konceptu harvardské architektury. Podívejme se, jak DSP funguje podrobně.

DIGITÁLNÍ SIGNÁLOVÝ PROCESOR

• Digitální signálové procesory slouží k proudovému zpracování dat a pomocí specializované paměťové architektury a oddělené datové a programové paměti načítají více instrukcí najednou.
• DSP matematicky manipulují s postupy přebírajícími reálné aspekty, jako je zvuk, video, hlas, tlak, a digitalizují je.
• Používají se také k provádění matematických operací, jako je sčítání, odčítání, násobení a dělení. Zpracování signálů je nezbytné, protože informace, které obsahují, musí být zobrazeny a analyzovány tak, aby mohly být převedeny na jiný signál, do formátu, který uživatelé požadují, aby pro ně byl zajímavý.
• Analogově-digitální převodníky se ujímají převodu výše uvedených aspektů na digitální signály ve smyslu 0 a 1.
• . DSP pak přebírá digitalizované signály a zpracovává je.
• Převezme digitalizované signály a převede je opět na analogové signály pomocí analogově-digitálního převodníku, čímž se stanou užitečnými pro reálný svět. Rychlost, s jakou všechny tyto procesy probíhají, je velmi vysoká.
• Podívejme se, jak pracuje digitální signálový procesor na zařízeních Mp3. Obecně přijímá vstupy prostřednictvím přijímačů a převádí je na digitální signál (ve formě 0 a 1) pomocí analogově-digitálního převodníku. Po fázi převodu se provede kódování a zakódovaný soubor se tím uloží do paměti.
• Následuje fáze dekódování, kdy by se soubor vzal z paměti, převedl na analogové signály pomocí digitálně-analogového převodníku a poté se výstup přijímá prostřednictvím reproduktorové soustavy. K tomuto procesu dochází v zařízení Mp3. Provádí také složité funkce, jako je ovládání hlasitosti, úprava frekvencí atd.
• Počítač může pomocí DPS řídit věci, jako je účinnost, přenos atd. Signály procházejí nejprve fází zpracování a poté fází přenosu. Telekonference používá telefonní signály k přenosu zvukových a obrazových linek. Kvalita signálů může být manipulována nebo improvizována, aby se očím uživatele jevila lépe. Pro oči uživatele bude neviditelná. Příklad: potlačení ozvěny v telefonech.
• Ačkoli signály v reálném světě mohou být zpracovány analogovým způsobem, tyto digitálně zpracované signály mohou být přenášeny vysokou rychlostí a jsou velmi přesné.

Součásti uvnitř DSP

Digitální signálový procesor se skládá z následujících částí:

Paměť programu:

Používá zpracovaná data a ukládá program uvnitř paměti. Obecně je nevolatilní. V této programové paměti se používá paměť flash, kde je možné přeprogramování pomocí hardwarového rozhraní. A programová paměť obecně využívá koncepci zásobníku.

Datová paměť:

Datová paměť se nazývá paměť s náhodným přístupem. Je to dočasné místo pro ukládání proměnných a konstant během provádění programu. Velikost paměti, která je RAM, se u jednotlivých mikrokontrolérů liší.

Výpočetní jednotka:

Provádí matematické operace a shromažďuje data a programy z příslušných míst. Shromažďuje instrukce z paměti programů a také shromažďuje data z paměti dat.

Vstup/výstup:

Technika používaná k přenosu dat z externího zařízení a mikrokontroléru se nazývá vstup/výstup. Uživatel komunikuje s mikrokontrolérem prostřednictvím Input/Output. Uživatelé zadávají svá data prostřednictvím klávesnice vstupního zařízení a sbírají požadované výstupy z tiskáren nebo pevných disků externího zařízení. Tato vstupně-výstupní zařízení se nazývají periferie a jsou to nejběžnější zařízení, která se používají v systému mikrokontroléru.

ARCHITEKTURA DIGITÁLNÍHO SIGNÁLOVÉHO PROCESORU

ARCHITEKTURA SOFTWARU:

Sady instrukcí používané v DSP jsou nepravidelné. Zatímco běžné instrukční sady se používají při běžných operacích počítače, sady DSP se používají při specializovaných matematických operacích.

Programy v assembleru se obvykle ukládají do knihoven pro opakované použití, jiné stroje místo toho používají metody kompilátoru pro ukládání základních algoritmů. Mnoho programů používaných v DSP je obecně psáno ručně, aby se usnadnilo programování.

Datové instrukce zahrnují různé operace, jako jsou aritmetické instrukce, booleovské instrukce, logické instrukce a, instrukce toku.

Protok programu se skládá z pipelinové architektury a vícenásobných akumulátorů.

HARDWAROVÁ ARCHITEKTURA:

Hardwarová architektura se skládá z fyzických komponent systému. Obecně poskytují prostor pro umístění dalších systémů do zařízení a také posuzují ostatní softwarové komponenty. Poskytují také prostor pro efektivní využití softwarových komponent. Spojují různá odvětví inženýrství, aby spolupracovala a vyvíjela nová zařízení a architekturu.

Musíme si však uvědomit, že hardwarové komponenty nemohou správně fungovat bez pomoci softwarových komponent. Vezmeme-li si například moderní letadlo, musíme použít softwarový vestavěný kód, aby fungovalo efektivně.

PAMĚŤOVÁ ARCHITEKTURA:

Digitální signálové procesory se obecně používají pro běh dat a používají specializované paměťové techniky pro načítání dat a instrukcí odděleně po různých cestách (koncept harvardské architektury) a data a instrukce se načítají po stejné sběrnici, jaká se používá ve Von Neumannově architektuře.

Paměť občas používá mezipaměť, aby věděla o zpožděných operacích.

VIRTUÁLNÍ PAMĚŤ:

DSP obecně nepoužívají virtuální paměť, protože se spoléhají na operace s více úlohami. Operace, které využívají virtuální paměť, obvykle používají koncept přepínání konceptů, který prokazatelně zvyšuje zpoždění.

MODERNÍ DSP

Moderní digitální signálové procesory přinášejí ještě lepší výsledky. Je to díky nízkoúrovňovému návrhu, pokročilé vyrovnávací paměti atd.

Každý DSP může mít různou rychlost. Existuje mnoho digitálních signálových procesorů s nízkou rychlostí, které jsou určeny k provádění specifických úloh.

XMOS vyrábí mnoho mikrojádrových procesorů. Jsou snadno programovatelné pomocí jazyka C.

SEVA je moderní DSP, který používá strukturu MAC.

Analog Devices používá DSP systém založený na SHARC.

Microchip Technologies používá v obrazech PIC 24.

Většina DSP používá pevné aritmetické hodnoty. Plovoucí DSP se mohou stát neplatnými v případě dynamických hodnot. Mnoho konstruktérů výrobků používá plovoucí DSP, pokud si myslí, že by zařízení mělo být cenově výhodné, a také výměnou spolehlivého softwaru za drahé hardwarové systémy.

Moderní DSP se obecně používají ve snadno implementovatelných algoritmech.

PRO A PROTI DSP

PRO:

• Jsou velmi přesné. Jejich výstupy mají vysokou přesnost ve srovnání s analogovými zařízeními.
• Přeřazení analogových zařízení se může ukázat jako velmi obtížné. U digitálních signálových procesorů je to snadné, protože kód se promítne během několika sekund, což je pro uživatele pohodlné.
• Algoritmy vysoké úrovně lze implementovat pomocí specifických metod.
• Náklady na implementaci v digitálních signálových procesorech jsou ve srovnání s analogovými procesory mnohem nižší.
• V porovnání s ostatními procesory lze DSP snadno sestupovat.
• DSP lze provozovat i offline, což je zpřístupňuje pro snadnou přepravu.

CONS:

• Je poměrně složitý, protože využívá převodníky. ADC (analogově digitální převodník) a DAC (digitálně analogový převodník).
• Každý DSP má samostatné hardwarové a softwarové zařízení. Proto nelze DSP používat bez řádného zaškolení.
• Pro digitální přenos je zapotřebí větší šířka pásma než pro analogový přenos.
• IC se musí používat opatrně, protože jsou velmi drahé.
• Musíme jasně ovládat koncepty, protože řídicí jednotka, která je přítomna, je složitější a přepracování by bylo zdlouhavou prací.

FAKTA O HARVARDSKÉ ARCHITEKTUŘE

• Harvardská architektura zrychluje rychlost procesoru. Protože data a instrukce jsou uloženy v oddělených sběrnicích, je pro mnoho uživatelů velmi výhodná.
• Harvardská architektura se řídí uspořádáním „Pipeline“. Pokud probíhá provádění jedné instrukce, druhá instrukce by byla načtena z paměti. To umožňuje překrývání instrukcí, čímž se výrazně zvyšuje rychlost provádění.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) a CISC (Complex Instruction Set Computer) jsou metodiky používané v harvardské architektuře. V mikrokontroléru RISC mají data šířku 8 bitů, zatímco instrukce 12 bitů nebo 16 bitů. Vše se tedy provádí najednou, což vede ke zvýšení výkonu.
• V CISC jsou data i instrukce široké 8 bitů. Obecně mají více než 200 instrukcí. Nelze je však vykonávat najednou, spíše se načítají současně.
• Vykonávací jednotka se skládá ze 2 aritmetických a logických jednotek, 1 posuvníku, 1 násobičky, akumulátorů atd. Mohou tedy stabilně a s vynikajícím paralelismem provádět aritmetické operace.
• Mnoho mikrokontrolérů také používá Lookup Table. (LUT). Ty se používají pro účely modulace.

VÝHODY A NEVÝHODY HARVARDOVY ARCHITEKTURY

VÝHODY:

• Protože jsou data a instrukce uloženy v oddělených sběrnicích, je velmi malá pravděpodobnost poškození.
• Data, která používají režim pouze pro čtení, a instrukce, které používají režim čtení a zápisu, pracují stejným způsobem. Lze k nim také přistupovat podobně.
• Obvykle by byly přítomny dvě paměti, jedna pro data a druhá pro instrukce, mají různé velikosti buněk, což umožňuje velmi efektivní využití zdrojů.
• Šířka pásma, která se používá pro paměť, je předvídatelnější.
• Obecně nabízejí vysoký výkon, protože data a sběrnice jsou uloženy v oddělených pamětech a cestují po různých sběrnicích.
• Může být zachován paralelní přístup k datům a instrukcím.
• Plánování by již nebylo nutné, protože pro data a instrukce jsou oddělené sběrnice.
• Programátoři mohou navrhnout paměťovou jednotku podle svých požadavků.
• Řídicí jednotka získává data a instrukce z jedné paměti. Zjednodušuje tak architekturu řídicí jednotky.

DISADVANTY:

• Neobsazenou datovou paměť nelze použít pro instrukce a volnou paměť pro instrukce nelze použít pro data. Paměť vyhrazená jednotlivým jednotkám musí být pečlivě vyvážená.
• Program nemůže být napsán strojem samostatně jako u Von Neumannovy architektury.
• Řídicí jednotka vyžaduje více času na vývoj a je na straně nákladů.
• Na architektuře jsou 2 sběrnice. Což mimochodem znamená, že základní deska by byla složitější, což zase znamená, že by byly dvě paměti RAM, a proto má tendenci mít velmi složitý design cache. To je důvod, proč se používá většinou uvnitř procesoru a ne mimo něj.
• Výroba počítače se dvěma sběrnicemi trvá déle a je opět na dražší straně, stejně jako řídicí jednotka.
• Má více pinů na svých integrovaných obvodech. Proto je velmi obtížné ji implementovat.
• Není široce používaná, takže její vývoj by byl na zaostalém okraji.
• Nevyužívá většinu centrální procesorové jednotky, vždy.

SUMMARY OF HARVARD ARCHITECTURE

• Základy: Vychází z modelu počítače Harvard I.
• Paměť: Má oddělenou paměť pro data a instrukce. K jednotlivým systémům v paměti lze tedy přistupovat současně.
• Zpracování instrukcí: V harvardské architektuře může být zpracování instrukcí dokončeno v jedné fázi, pokud jsou pipelines na příslušných místech.
• Náklady:
• Použití: Řídicí jednotka v harvardské architektuře vyžaduje více času na vývoj a je na straně nákladů:

Pro harvardskou architekturu bychom se tedy měli rozhodnout, pokud,

• Instrukce jsou rozsáhlejší než data. V tomto případě, pokud by se instrukce zpracovávaly odděleně, mohou vést ke spolehlivějšímu výstupu. Zatímco pokud by byly umístěny ve stejné buňce s daty, měly by tendenci se překrývat a způsobovat tak chyby.
• Měli bychom si dát pozor, zda je cache určena pouze pro čtení. To proto, že pokud by Cache měly možnost Read-Write, mohlo by to zabrat více času na jejich vývoj a také by to mohlo být složité.
• Měly by mít oddělenou šířku pásma pro lepší optimalizaci.
• Velmi efektivní v případě „JIT“, Just in Time Compilers, kde by se urazil trest za kopírování a vkládání, je přítomno metaprogramování a k dispozici je i samomodifikující se kód.
• Kde by šlo hlavně o programovací aspekt. Protože u mikrokontrolérů by bylo obtížné navrhovat a vyvíjet další varianty, protože základní desky uvnitř nich by byly složité na pochopení a ukázalo by se, že je to vcelku zdlouhavý úkol.
• Vestavěné procesory lze vyvíjet, protože mají mít vlastnosti, které zase podporují křížovou komunikaci na obou stranách, pokud mají velkou šířku paměťového pásma a plochou adresovou linku.
• Je zaveden koncept zásobníku. Adresní jednotka by se neměla komplikovat, protože může mít za úkol paralelně vést alespoň 2 cesty. Čítač programu a ukazatel zásobníku by byly přítomny. Registry, které jsou přítomny v ukazatelích, mohou být inkrementovány nebo dekrementovány.
• Některé digitální signálové procesory používají koncept „LIFO“. Last in First Out (Poslední v první řadě). Tomu se také říká hardwarový zásobník. Tímto způsobem můžeme push a pop zásobníku rychleji, proto nevyžaduje použití adresových sběrnic.

ZÁVĚR:

Tímto jsme podrobně probrali harvardskou architekturu. Viděli jsme také všechny výhody a nevýhody harvardské architektury. Probrali jsme příklady, aby to bylo pro oči uživatele srozumitelnější. Musíme se tedy ujistit, že tuto architekturu zcela zvládneme, abychom z ní získali co nejlepší výsledky. Měli bychom si také ujasnit, v jakém případě bychom měli harvardskou a von Neumannovu architekturu použít, a efektivně využít to, co používáme. Neváhejte napsat jakékoli připomínky a podělit se také o své návrhy, abychom mohli více diskutovat!!!

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_architecture
2. https://tdck.weebly.com/uploads/7/7/0/5/77052163/03_-_harvard_architecture_comparison.pdf
3. https://www.google.com/search?q=advantages+of+harvard+architecture&safe=strict&tbm=isch&source=iu&ictx=1&fir=sJHdbNlHdCfBnM%253A%252C3B-t13LzqLeqjM%252C_&vet=1&usg=AI4_-kQJCxwrxhCUXW7xWDgGIGpD3yUVAA&sa=X&ved=2ahUKEwinsPip1tfpAhVIwKQKHYUXCdsQ9QEwCnoECAUQHA#imgrc=g1JuuAOnXWWyKM&imgdii=jUPAKYHNfW-wyM
4. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/harvard-architecture

.