Harvard-arkkitehtuuri

YHTEENVETO

Mikrokontrollereissa käytetään yleensä kahdenlaista arkkitehtuuria.

• Von Neumann -arkkitehtuuri
• Harvard -arkkitehtuuri

Von Neumann -arkkitehtuuri koostuu ohjausyksiköstä, aritmeettisesta ja LOGIIKKA-yksiköstä, tulo-/lähtöyksiköstä ja rekistereistä.

Von Neumann -arkkitehtuurissa, jota monet mikrokontrollerit käyttävät, muistitilaa on samassa väylässä, jolloin käskyjen ja tietojen on tarkoitus käyttää samaa muistia. Se käyttää tallennetun ohjelman tietokoneen käsitettä.

Harvard-arkkitehtuuri koostuu aritmeettisesta logiikkayksiköstä, datamuistista, sisääntulosta/ulostulosta, datamuistista, käskymuistista ja ohjausyksiköstä.

Harvard-arkkitehtuurissa, on erilliset muistit datalle ja käskyille. Harvard-arkkitehtuurissa käskyjä käytetään lukumuistissa ja dataa luku- ja kirjoitusmuistissa.

Harvard-arkkitehtuuria käytetään enimmäkseen suorittimen kanssa, mutta toisinaan sitä käytetään keskusmuistin kanssa, koska se on hieman monimutkainen ja kallis.

Harvard-arkkitehtuuria käytetään enimmäkseen suorittimen kanssa, mutta toisinaan sitä käytetään keskusmuistin kanssa, koska se on hieman monimutkainen ja kallis.

Muistien koot käskyjen ja datan muistin osalta ovat erilaiset Harvard-arkkitehtuurin tapauksessa. Ohjelmia ei voi koskaan ajaa automaattisesti, eikä muistin järjestäminen ole käyttäjän käsissä. Voimme tarkastella Harvard-arkkitehtuurin eri ominaisuuksia tässä artikkelissa.

ESIMERKKEJÄ HARVARD-ARKKITEHTUURISTA

Yksi esimerkki Harvard-arkkitehtuurista ovat varhaiset tietokoneiden keskusyksikköjärjestelmät, joissa ohjeet tallennetaan yhdelle ohjelmointivälineelle, kuten reikäkortteihin, ja data toiselle [ohjelmointivälineelle, kuten nauhoille. Harvard-arkkitehtuurin tulokset ovat niitä vastaavia kuvia.

Datavirtauskoneet ja pelkistyskoneet ovat myös esimerkkejä Harvard-arkkitehtuurista. Niillä on korkea rinnakkaisuusaste, mikä tarkoittaa, että datan ja käskyjen tulokset saadaan samanaikaisesti.

Kvanttitietokoneet voidaan myös mainita esimerkkinä Harvard-arkkitehtuurista. Ero muiden tietokoneiden ja kvanttitietokoneiden välillä on siinä, että ne tarvitsevat aikaa tehtävän suorittamiseen ja siinä, missä järjestyksessä ne priorisoivat ajoituksiaan.

Enigma-koneet, joita käytettiin maailmansodissa, noudattavat myös Harvard-arkkitehtuuria,

Muuten toinen pääesimerkki Harvard-arkkitehtuurista on DIGITAALINEN SIGNAALIPROSESSORI (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR),

Ja se on ensisijaisesti Harvard-arkkitehtuurin konseptin varassa. Katsotaanpa, miten DSP toimii yksityiskohtaisesti.

DIGITAALINEN SIGNAALIPROSESSORI

• Digitaalisia signaaliprosessoreita käytetään datan suoratoistoon, ja niitä käytetään useiden käskyjen samanaikaiseen noutoon käyttämällä erikoistunutta muistiarkkitehtuuria ja erillistä data- ja ohjelmamuistia.
• DSP:t käsittelevät matemaattisesti menettelyjä, jotka ottavat reaalimaailman näkökohtia, kuten ääntä, videota, ääntä, painetta, ja digitalisoivat ne.
• Niitä käytetään myös matemaattisten operaatioiden, kuten yhteenlaskun, vähennyslaskun, kertolaskun ja jaon, suorittamiseen. Signaalien käsittely on olennaista, koska niiden sisältämä informaatio on näytettävä ja analysoitava, jotta ne voidaan muuntaa toiseksi signaaliksi, käyttäjien tarvitsemaan muotoon, jotta he pitävät sitä mielenkiintoisena.
• Analogi-digitaalimuunnin ottaa tehtäväkseen muuntaa edellä mainitut näkökohdat digitaalisiksi signaaleiksi 0:n ja 1:n muodossa. Sen jälkeen DSP ottaa digitalisoidun signaalin ja käsittelee sen.
• Se ottaa digitalisoidut signaalit ja muuntaa ne analogisiksi signaaleiksi jälleen Analogi-digitaalimuunninta käyttäen, jolloin se on hyödyllinen reaalimaailmassa. Nopeus, jolla kaikki nämä prosessit tapahtuvat, on erittäin suuri.
• Katsotaanpa, miten digitaalinen signaaliprosessori toimii Mp3-laitteissa. Se ottaa yleensä tulot vastaanottimien kautta ja muuntaa ne digitaalisiksi signaaleiksi (0:n ja 1:n muodossa) käyttämällä analogi-digitaalimuunninta. Muunnosvaiheen jälkeen suoritetaan koodaus ja koodattu tiedosto tallennetaan muistiin.
• Seuraavaksi tulee dekoodausvaihe, jossa tiedosto otetaan muistista, muunnetaan analogisiksi signaaleiksi digitaali-analogiamuunninta käyttäen ja sitten ulostulo vastaanotetaan kaiutinjärjestelmän kautta. Tämä prosessi tapahtuu Mp3-laitteessa. Se suorittaa myös monimutkaisia toimintoja, kuten äänenvoimakkuuden säätöä, taajuuksien muokkausta ja niin edelleen.
• Tietokone voi käyttää DPS:ää ohjaamaan asioita, kuten tehokkuutta, siirtoa jne. Signaalit käyvät läpi ensin käsittelyvaiheen ja sitten lähetysvaiheen. Telekonferensseissa käytetään puhelinsignaaleja ääni- ja videolinjojen välittämiseen. Signaalien laatua voidaan manipuloida tai improvisoida, jotta ne näyttäisivät paremmilta käyttäjän silmissä. Se on käyttäjän silmille näkymätöntä. Esimerkki: Kaikujen mitätöinti puhelimissa.
• Vaikka reaalimaailman signaaleja voidaan käsitellä analogisesti, näitä digitaalisesti käsiteltyjä signaaleja voidaan välittää suurella nopeudella ja ne ovat erittäin tarkkoja.

DIGITAALISEN SIGNAALIPROTESOINTIKONEEN SISÄLTÖÖN SISÄLTYVÄT KOMPONENTIT

Digitaalinen signaaliprosessori koostuu seuraavista osista:

Ohjelman muisti:

Ohjelma käyttää prosessoitua dataa ja tallettaa ohjelmat muistin sisään. Se on yleensä haihtumaton. Tässä ohjelmamuistissa käytetään flash-muistia, jossa uudelleenohjelmointi on mahdollista laitteistoliitännän avulla. Ja ohjelmamuisti käyttää yleensä pinon käsitettä.

Tietomuisti:

Tietomuisti on nimeltään Random Access Memory. Se on väliaikainen paikka muuttujien ja vakioiden tallentamiseen ohjelman suorituksen aikana. Muistin määrä, joka on RAM-muistia, vaihtelee mikrokontrollereittain.

Compute Engine:

Se suorittaa matemaattisia operaatioita ja se kerää dataa ja ohjelmia omilta paikoiltaan. Se kerää ohjeet ohjelmamuistista ja se kerää myös dataa datamuistista.

Input/Output:

Tekniikkaa, jota käytetään tietojen siirtämiseen ulkoisesta laitteesta ja mikrokontrollerista, kutsutaan Input/Outputiksi. Käyttäjä kommunikoi mikrokontrollerin kanssa Input/Outputin kautta. Käyttäjät syöttävät tietonsa syöttölaitteen näppäimistön kautta ja keräävät haluamansa tulosteet ulkoisen laitteen tulostimilta tai kiintolevyiltä. Näitä Input/Output-laitteita kutsutaan oheislaitteiksi, ja ne ovat yleisimpiä mikrokontrollerijärjestelmässä käytettäviä laitteita.

DIGITAALISEN SIGNAALIPROSESSORIN ARKKITEHTUURI

OHJELMISTOARKKITEHTUURI:

DSP:ssä käytettävät käskykannat ovat epäsäännöllisiä. Kun tavallisia käskykokonaisuuksia käytetään tietokoneen tavallisissa operaatioissa, DSP:n käskykokonaisuuksia käytetään erikoistuneissa matemaattisissa operaatioissa.

Kokoonpano-ohjelmat laitetaan yleensä kirjastoihin uudelleenkäyttöä varten, sen sijaan muut koneet käyttävät kääntäjämenetelmiä keskeisten algoritmien tallentamiseen. Monet DSP:ssä käytettävät ohjelmat ovat yleensä käsinkirjoitettuja, jotta ohjelmointi olisi helppoa.

Datakäskyt sisältävät erilaisia operaatioita, kuten aritmeettisia käskyjä, boolean-käskyjä, loogisia käskyjä ja, virtausohjeita.

Ohjelman kulku koostuu putkijohdinarkkitehtuurista ja useista akkumulaattoreista.

KALUSTO-ARKKITEHTUURI:

Kalusto-arkkitehtuuri koostuu järjestelmän fyysisistä komponenteista. Yleensä ne tarjoavat tilaa muille järjestelmille, jotta ne mahtuvat laitteeseen, ja ne myös arvioivat muita ohjelmistokomponentteja. Ne tarjoavat myös tilaa ohjelmistokomponenttien tehokkaalle käytölle. Ne yhdistävät tekniikan eri alat työskentelemään yhdessä ja kehittämään uusia koneita ja arkkitehtuuria.

Meidän on kuitenkin ymmärrettävä, että laitteistokomponentit eivät voi toimia kunnolla ilman ohjelmistokomponenttien apua. Jos otamme esimerkiksi nykyaikaisen lentokoneen, meidän on käytettävä sulautettua ohjelmistokoodia, jotta se toimisi tehokkaasti.

MUISTIARKKITEHTUURI:

Digitaalisia signaaliprosessoreita käytetään yleensä datan ajamiseen, ja niissä käytetään erikoistuneita muistitekniikoita, joilla dataa ja käskyjä voidaan noutaa erillään eri väylillä (Harvard-arkkitehtuurin käsite), ja dataa ja käskyjä noutaa samasta väylästä, kuten Von Neumann -arkkitehtuurissa käytetään.

Muistissa käytetään toisinaan välimuistia, joka tietää viiveoperaatiot.

VIRTUAALINEN MUISTI:

DSP:t eivät yleensä käytä virtuaalimuistia, koska ne luottavat monitehtäväoperaatioihin. Virtuaalimuistia käyttävissä operaatioissa käytetään yleensä käsitteenvaihtoa, joka todistetusti kasvattaa viivettä.

MODERNIT DSP:t

Moderneilla digitaalisilla signaaliprosessoreilla saadaan vielä parempia tuloksia. Tämä johtuu matalan tason suunnittelusta, kehittyneestä välimuistista jne.

Kunkin DSP:n nopeus voi olla erilainen. On olemassa monia digitaalisia signaaliprosessoreita, joiden nopeus on alhainen ja jotka on suunniteltu suorittamaan tiettyjä tehtäviä.

XMOS tuottaa monia mikroydinprosessoreita. Ne ovat helposti ohjelmoitavissa C-kielellä.

SEVA on nykyaikainen DSP, joka käyttää MAC-rakennetta.

Analog Devices käyttää SHARC-pohjaista DSP-järjestelmää.

Microchipin teknologioita käytetään PIC 24 -kuvissa.

Suurimmassa osassa DSP:tä käytetään kiinteitä aritmeettisia arvoja. Kelluvat DSP:t saattavat mitätöityä dynaamisten arvojen tapauksessa. Monet tuotesuunnittelijat käyttävät kelluvia DSP:itä, jos he ajattelevat, että laitteen tulisi olla kustannustehokas sekä vaihdettaessa luotettava ohjelmisto kalliisiin laitteistojärjestelmiin.

Nykyaikaisia DSP:itä käytetään yleensä helposti toteutettavissa algoritmeissa.

EDUT JA HAITAT DSP:istä

EDUT:

• Ne ovat erittäin tarkkoja. Niiden ulostulot ovat erittäin tarkkoja verrattuna analogisiin laitteisiin.
• Analogisten laitteiden uudelleenjärjestäminen saattaa osoittautua hyvin vaikeaksi. Digitaalisissa signaaliprosessoreissa se on helppoa, koska koodi väläytetään sekunneissa, mikä tekee siitä mukavaa käyttäjille.
• Korkeatasoiset algoritmit voidaan toteuttaa tietyillä menetelmillä.
• Toteutuskustannukset digitaalisissa signaaliprosessoreissa ovat paljon pienemmät verrattuna analogisiin prosessoreihin.
• DSP:tä voidaan helposti laskea alas verrattuna muihin prosessoreihin.
• DSP:tä voidaan käyttää myös offline-tilassa, jolloin sitä on helppo kuljettaa.

KONS:

• Se on melko monimutkainen, koska se käyttää muuntimia. ADC (Analog to Digital Converter) ja DAC (Digital to Analog Converter).
• Kussakin DSP:ssä on erilliset laitteisto- ja ohjelmistolaitteet. Näin ollen DSP:tä ei voi käyttää ilman asianmukaista koulutusta.
• Digitaaliseen siirtoon tarvitaan enemmän kaistanleveyttä kuin analogiseen siirtoon.
• IC:tä on käytettävä varovasti, koska ne ovat hyvin kalliita.
• Käsitteet on hallittava selkeästi, koska nykyinen ohjausyksikkö on monimutkaisempi ja uudelleensuunnittelu olisi työlästä.

FAKTAT HARVARD-ARKKITEHTUURISTA

• Harvard-arkkitehtuuri nopeuttaa prosessorinopeutta. Koska data ja käskyt tallennetaan erillisiin väyliin, se on erittäin edullinen monille käyttäjille.
• Harvard-arkkitehtuuri noudattaa ”Pipeline”-järjestelyä. Jos yhden käskyn suoritus on käynnissä, toinen käsky haetaan muistista. Tämä mahdollistaa ohjeiden päällekkäisyyden, jolloin suoritusnopeus kasvaa huomattavasti.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) ja CISC (Complex Instruction Set Computer) ovat Harvard-arkkitehtuurissa käytettyjä menetelmiä. RISC-mikrokontrollerissa data on 8 bittiä, kun taas ohjeet ovat 12 tai 16 bitin levyisiä. Näin kaikki suoritetaan kerralla, mikä lisää suorituskykyä.
• CISC:ssä sekä data että käskyt ovat 8 bitin levyisiä. Niissä on yleensä yli 200 ohjetta. Mutta niitä ei voida suorittaa kerrallaan, vaan ne haetaan samanaikaisesti.
• Toteutusyksikkö koostuu kahdesta aritmeettisesta ja loogisesta yksiköstä, yhdestä siirtäjästä, yhdestä kertojasta, akuista jne. Näin ne voivat suorittaa aritmeettisia operaatioita vakaasti ja erinomaisella rinnakkaisuudella.
• Monissa mikrokontrollereissa käytetään myös Lookup Table -taulukkoa. (LUT). Niitä käytettiin modulaatiotarkoituksiin.

HARVARD-ARKKITEHTUURIN HYÖDYT JA HAITAT

HYÖDYT:

• Koska data ja käskyt tallennetaan erillisiin väyliin, korruption mahdollisuus on hyvin vähäinen.
• Dataa, joka käyttää lukutilaa (Read-Only mode), ja käskyjä, jotka käyttävät luku- ja kirjoitustilaa (Read-Write mode), operoidaan samalla tavalla. Niitä voidaan myös käyttää samalla tavalla.
• Yleensä on kaksi muistia, toinen dataa ja toinen käskyjä varten, ja niissä on eri solukoot, jolloin resursseja hyödynnetään erittäin tehokkaasti.
• Muistiin käytettävä kaistanleveys on paremmin ennakoitavissa.
• Muistien suorituskyky on yleensä suuri, koska dataa ja väyliä säilytetään erillisissä muisteissa ja ne kulkevat eri väylillä.
• Datan ja käskyjen rinnakkaiskäyttö voidaan säilyttää.
• Suunnittelua ei enää tarvittaisi, koska datalle ja käskyille on erilliset väylät.
• Ohjelmoijat voivat suunnitella muistiyksikön tarpeidensa mukaan.
• Valvontayksikkö saa datan ja käskyt yhdestä muistista. Näin se yksinkertaistaa ohjausyksikön arkkitehtuuria.

HÄIRIÖT:

• Vapaata datamuistia ei voi käyttää käskyihin eikä vapaata käskymuistia voi käyttää dataan. Kullekin yksikölle varattu muisti on tasapainotettava huolellisesti.
• Kone ei voi itse kirjoittaa ohjelmaa kuten Von Neumann -arkkitehtuurissa.
• Ohjausyksikön kehittäminen vie enemmän aikaa ja on kalliimmalla puolella.
• Arkkitehtuurissa on 2 väylää. Tämä tarkoittaa sitä, että emolevy olisi monimutkaisempi, mikä puolestaan tarkoittaa, että siinä olisi kaksi RAM-muistia ja siten yleensä hyvin monimutkainen välimuistisuunnittelu. Siitä syystä sitä käytetään enimmäkseen CPU:n sisällä eikä sen ulkopuolella.
• Tietokoneen valmistaminen kahdella väylällä vie enemmän aikaa saada valmistettua ja on taas kalliimmalla puolella kuten ohjausyksikkökin.
• Sen IC:ssä on enemmän nastoja. Siksi sen toteuttaminen on hyvin vaikeaa.
• Sitä ei käytetä laajalti, joten sen kehittäminen olisi takapajulassa.
• Se ei tee suurinta osaa keskusyksiköstä, aina.

YHTEENVETO HARVARD-ARKKITEHTUURISTA

• Perusteet: Se perustuu Harvard I -tietokonemalliin.
• Muisti: Siinä on erillinen muisti datalle ja käskyille. Siten jokaista muistissa olevaa järjestelmää voidaan käyttää samanaikaisesti.
• Käskyjen käsittely: Harvard-arkkitehtuurissa käskykäsittely voidaan suorittaa yksivaiheisesti, jos putkilinjat ovat sopivilla paikoillaan.
• Kustannukset:
• Kustannukset: Harvard-arkkitehtuurin ohjausyksikön kehittäminen vie enemmän aikaa ja on kalliimmalla puolella.
• Käyttökohteet: Niitä käytetään ensisijaisesti mikrokontrollereissa ja digitaalisissa signaaliprosessoreissa.

Tulee siis valita Harvard-arkkitehtuuri, jos,

• Käskyt ovat laajempia kuin data. Tällöin, jos ohjeet käsiteltäisiin erikseen, ne voivat johtaa luotettavampaan tulokseen. Kun taas, jos ne laitetaan samaan soluun datan kanssa, niillä on taipumus mennä päällekkäin aiheuttaen siten virheitä.
• Meidän tulisi varoa, jos välimuistit ovat lukuvapaita. Tämä johtuu siitä, että jos välimuistit ovat Read-Write -vaihtoehto, se voi viedä enemmän aikaa sen kehittämiseen ja se voi olla myös monimutkainen.
• Neillä pitäisi olla erillinen kaistanleveys paremman optimoinnin vuoksi.
• Erittäin tehokas ”JIT”, Just in Time Compilers -ohjelmointikompilaattoreissa, joissa copy-paste-sanktiota loukattaisiin, metaohjelmointi on läsnä ja itseään muokkaavaa koodia on myös saatavissa.
• Jossa ohjelmointinäkökulma olisi pääasiallinen asia. Koska mikrokontrollereilla olisi vaikea suunnitella ja kehittää muita muunnelmia, koska niiden sisällä olevat emolevyt olisivat monimutkaisia ymmärtää ja osoittautuisivat kokonaisuudessaan ikäväksi tehtäväksi.
• Sisäänrakennettuja prosessoreita voidaan kehittää, koska niillä on tarkoitus olla ominaisuuksia, jotka puolestaan edistävät ristiinkytkentää molemmin puolin, jos niillä on suuret muistikaistanleveydet ja litteä osoitelinkki.
• Pinon konsepti on toteutettu. Osoiteyksikkö ei saisi monimutkaistua, koska se voi joutua kulkemaan vähintään 2 polkua rinnakkain. Ohjelmalaskuri ja pinon osoitin olisivat olemassa. Osoittimissa olevia rekistereitä voidaan kasvattaa tai pienentää.
• Jotkut digitaaliset signaaliprosessorit käyttävät ”LIFO”-käsitettä. Last in First Out. Tätä kutsutaan myös laitteistopinoksi. Tällä tavalla voimme työntää ja popata pinon nopeammin, joten se ei vaadi osoiteväylien käyttöä.

YHTEENVETO:

Niin, olemme keskustelleet Harvard-arkkitehtuurista yksityiskohtaisesti. Olemme myös nähneet kaikki Harvard-arkkitehtuurin edut ja haitat. Esimerkkejä on käsitelty, jotta asia olisi selkeämpi käyttäjän silmille. Meidän on siis varmistettava, että hallitsemme arkkitehtuurin täydellisesti saadaksemme siitä parhaat tulokset. Meidän pitäisi myös olla selvillä siitä, missä tapauksessa meidän pitäisi käyttää Harvard- ja Von Neumann -arkkitehtuuria, ja hyödyntää tehokkaasti sitä, mitä käytämme. Voit vapaasti lähettää kommentteja ja jakaa myös ehdotuksia, jotta voimme keskustella lisää!!!

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