Architecture de Harvard

INTRODUCTION

Les microcontrôleurs utilisent généralement deux types d’Architecture.

• Architecture Von Neumann
• Architecture Harvard

L’architecture Von Neumann se compose d’une unité de contrôle, d’une unité arithmétique et LOGIQUE, d’une entrée/sortie et de registres.

Dans l’architecture Von Neumann, qui est utilisée par de nombreux microcontrôleurs, l’espace mémoire se trouve sur le même bus et ainsi les instructions et les données ont l’intention d’utiliser la même mémoire. Elle utilise le concept de l’ordinateur à programme enregistré.

L’architecture Harvard se compose d’une unité logique arithmétique, d’une mémoire de données, d’une entrée/sortie, d’une mémoire de données, d’une mémoire d’instructions et de l’unité de contrôle.

L’architecture Harvard, possède une mémoire séparée pour les données et les instructions. De cette façon, l’instruction et les données peuvent être récupérées en même temps, ce qui la rend confortable pour les utilisateurs.

Dans l’architecture de Harvard, les instructions sont utilisées dans la mémoire en lecture seule et, les données sont utilisées dans la mémoire en lecture-écriture.

L’architecture de Harvard est utilisée avec l’unité centrale le plus souvent, mais elle est utilisée avec la mémoire principale parfois car elle est un peu complexe et sur le côté coûteux.

La taille de la mémoire pour les instructions et les données sont différentes dans le cas de l’architecture de Harvard. Les programmes ne peuvent jamais s’exécuter automatiquement et l’organisation de la mémoire n’est pas entre les mains de l’utilisateur. Nous pouvons examiner les différentes caractéristiques de l’architecture de Harvard dans cet article.

EXEMPLES DE L’ARCHITECTURE DE HARVARD

Un exemple de l’architecture de Harvard est les premiers systèmes informatiques Mainframe où les instructions sont stockées dans un support de programmation comme les cartes perforées et les données sont stockées dans l’autre [support de programmation comme les bandes. Les résultats de l’architecture de Harvard sont leurs images correspondantes.

Les machines à flux de données et les machines à réduction sont également des exemples d’architecture de Harvard. Elles présentent un taux élevé de parallélisme, ce qui signifie que les résultats des données et des instructions peuvent être obtenus en même temps.

Les ordinateurs quantiques peuvent également être cités comme un exemple d’architecture de Harvard. La différence entre les autres ordinateurs et l’ordinateur quantique est que le temps dont ils ont besoin pour accomplir une tâche et l’ordre dans lequel ils hiérarchisent leurs timings.

Les machines Enigma qui ont été utilisées dans les guerres mondiales suivent également l’architecture de Harvard,

Encore un autre exemple principal de l’architecture de Harvard est le processeur de signaux numériques, qui dépend principalement du concept de l’architecture de Harvard. Voyons, comment fonctionne le DSP en détail.

PROCESSEUR DE SIGNAUX NUMÉRIQUES

• Les processeurs de signaux numériques sont utilisés pour streamer les données et ils sont utilisés pour récupérer plusieurs instructions en même temps en utilisant une architecture de mémoire spécialisée et une mémoire de données et de programme séparée.
• Les DSP manipulent mathématiquement des procédures prenant des aspects du monde réel comme l’audio, la vidéo, la voix, la pression et, les numérisent.
• Ils sont également utilisés pour effectuer des opérations mathématiques comme l’addition, la soustraction, la multiplication et, la division. Le traitement des signaux est essentiel car les informations qu’ils contiennent doivent être affichées et analysées afin qu’elles puissent être converties en un autre signal, au format requis par les utilisateurs, pour qu’ils le trouvent intéressant.
• Les convertisseurs analogiques-numériques se chargent de convertir les aspects ci-dessus en signaux numériques en termes de 0 et de 1. Le DSP prend ensuite le signal numérisé et le traite.
• Il prend les signaux numérisés et les convertit à nouveau en signaux analogiques en utilisant le convertisseur analogique-numérique, ce qui le rend utile au monde réel. La vitesse à laquelle tous ces processus se produisent est très élevée.
• Voyons comment le processeur de signal numérique fonctionne sur les appareils Mp3. Il prend généralement les entrées à travers les récepteurs et les convertit en un signal numérique (sous la forme de 0 et de 1) en utilisant un convertisseur analogique-numérique. Après la phase de conversion, l’encodage est effectué et le fichier encodé est ainsi sauvegardé en mémoire.
• Vient ensuite la phase de décodage, où le fichier serait pris de la mémoire, converti en signaux analogiques en utilisant le convertisseur numérique-analogique et, ensuite la sortie est reçue par le système de haut-parleurs. C’est le processus qui se déroule dans l’appareil Mp3. Il effectue également des fonctions complexes telles que le contrôle du volume, l’édition des fréquences et, ainsi de suite.
• Un DPS peut être utilisé par l’ordinateur pour contrôler des choses comme l’efficacité, la transmission, etc. Les signaux passent d’abord par la phase de traitement, puis par la phase de transmission. La téléconférence utilise des signaux téléphoniques pour transmettre des lignes audio et vidéo. La qualité des signaux peut être manipulée ou improvisée pour paraître meilleure aux yeux de l’utilisateur. Elle sera invisible aux yeux de l’utilisateur. Exemple, annulation de l’écho sur les téléphones.
• Bien que les signaux dans le monde réel puissent être traités de manière analogique, ces signaux traités numériquement peuvent être transmis à grande vitesse et ils sont très précis.

COMPONENTS À L’INTÉRIEUR D’UN DSP

Le processeur de signaux numériques se compose des parties suivantes :

Mémoire de programme :

Il utilise les données traitées et stocke le programme à l’intérieur de la mémoire. Elle est généralement non volatile. Dans cette mémoire de programme, on utilise une mémoire flash, où la reprogrammation est possible en utilisant une interface matérielle. Et la mémoire de programme utilise généralement le concept de pile.

Mémoire de données :

La mémoire de données est appelée mémoire à accès aléatoire. C’est un endroit temporaire pour stocker les variables et les constantes pendant l’exécution du programme. La quantité de mémoire qui est RAM, varie d’un microcontrôleur à l’autre.

Moteur de calcul:

Il effectue des opérations mathématiques et il collecte les données et les programmes à partir de leurs endroits respectifs. Il collecte des instructions à partir de la mémoire du programme et il collecte également des données à partir de la mémoire des données.

Entrée/Sortie:

La technique utilisée pour transférer des données à partir d’un périphérique externe et d’un microcontrôleur est appelée entrée/sortie. L’utilisateur communique avec le microcontrôleur par le biais de l’entrée/sortie. L’utilisateur saisit ses données sur le clavier du dispositif d’entrée et récupère les données souhaitées sur les imprimantes ou les disques durs du dispositif externe. Ces dispositifs d’entrée/sortie sont appelés périphériques et ce sont les dispositifs les plus courants qui sont utilisés sur le système microcontrôleur.

ARCHITECTURE DU PROCESSEUR DE SIGNAUX NUMÉRIQUES

ARCHITECTURE DE LOGICIEL:

Les jeux d’instructions utilisés dans le DSP sont irréguliers. Alors que les jeux d’instructions communs sont utilisés dans les opérations régulières d’un ordinateur, les jeux DSP sont utilisés dans des opérations mathématiques spécialisées.

Les programmes d’assemblage sont généralement mis dans des bibliothèques pour être réutilisés, au lieu de cela, d’autres machines utilisent des méthodes de compilation pour stocker les algorithmes essentiels. De nombreux programmes utilisés dans le DSP sont généralement écrits à la main, pour faciliter la programmation.

Les instructions de données comprennent diverses opérations telles que les instructions arithmétiques, les instructions booléennes, les instructions logiques et, les instructions de flux.

Le flux de programme consiste en une architecture pipelinée et des accumulateurs multiples.

L’ARCHITECTURE DU MATÉRIEL:

L’architecture du matériel consiste en des composants physiques d’un système. Généralement, ils fournissent l’espace nécessaire pour que d’autres systèmes puissent s’intégrer dans le dispositif et ils évaluent également les autres composants logiciels. Ils fournissent également de l’espace pour une utilisation efficace des composants logiciels. Ils combinent les différents secteurs de l’ingénierie pour travailler ensemble et développer de nouvelles machines et une nouvelle architecture.

Cependant, nous devons réaliser que les composants matériels ne peuvent pas fonctionner correctement sans l’aide des composants logiciels. Si nous prenons un avion moderne, par exemple, nous devons utiliser un code logiciel intégré pour le faire fonctionner efficacement.

ARCHITECTURE DE LA MÉMOIRE:

Les processeurs de signaux numériques sont généralement utilisés pour exécuter des données et ils utilisent des techniques de mémoire spécialisées pour aller chercher les données et les instructions séparément sur différents chemins (le concept de l’architecture Harvard) et les données et les instructions sont récupérées sur le même bus comme utilisé dans l’architecture Von Neumann.

La mémoire a parfois utilisé le stockage en cache pour connaître les opérations de retard.

Mémoire virtuelle:

Les PSD n’utilisent généralement pas de mémoire virtuelle car ils s’appuient sur des opérations multitâches. Les opérations qui utilisent la mémoire virtuelle utilisent généralement le concept de commutation de concepts, dont il est prouvé qu’il augmente la latence.

DSP MODERNES

Les processeurs de signaux numériques modernes donnent des résultats encore meilleurs. Cela est dû à la conception de bas niveau, au cache avancé, etc.

Chaque DSP peut être de différentes vitesses. Il existe de nombreux processeurs de signaux numériques à faible vitesse conçus pour effectuer des tâches spécifiques.

XMOS produit de nombreux processeurs à micro-cœur. Ils sont facilement programmables en utilisant le langage C.

SEVA est le DSP moderne qui utilise la structure MAC.

Analog Devices utilise le système DSP basé sur SHARC.

Microchip Technologies sont utilisées dans les images PIC 24.

La plupart des DSP utilisent des valeurs arithmétiques fixes. Les DSP flottants pourraient devenir nuls en cas de valeurs dynamiques. Beaucoup de concepteurs de produits utilisent des DSP flottants, s’ils pensent que le dispositif doit être rentable ainsi qu’en échange de logiciels fiables pour des systèmes matériels coûteux.

Les DSP modernes sont généralement utilisés dans des algorithmes facilement implémentables.

PROS ET CONS DES DSP

PROS:

• Ils sont très précis. Leurs sorties ont une grande précision par rapport aux dispositifs analogiques.
• Réorganiser des dispositifs analogiques pourrait s’avérer très difficile. Dans les processeurs de signaux numériques, c’est facile car le code est flashé en quelques secondes, ce qui le rend confortable pour les utilisateurs.
• Les algorithmes de haut niveau peuvent être mis en œuvre en utilisant des méthodes spécifiques.
• Le coût de la mise en œuvre dans les processeurs de signaux numériques est beaucoup moins élevé par rapport aux processeurs analogiques.
• Les DSP peuvent facilement être descendus par rapport aux autres processeurs.
• Les DSP peuvent également être exploités hors ligne, ce qui les rend accessibles pour un transport facile.

CONS:

• Il est assez complexe car il utilise des convertisseurs. ADC (Analog to Digital Converter) et DAC (Digital to Analog Converter).
• Chaque DSP a des dispositifs matériels et logiciels séparés. Ainsi, les DSP ne peuvent pas être utilisés sans une formation appropriée.
• Plus de bande passante est nécessaire pour la transmission numérique que pour la transmission analogique.
• Les CI doivent être utilisés avec précaution car ils sont très chers.
• Nous devons maîtriser clairement les concepts car l’unité de contrôle qui est présente est plus complexe et la re-conception serait un travail fastidieux.

FACTS SUR L’ARCHITECTURE DE HARVARD

• L’architecture de Harvard accélère la vitesse du processeur. Comme les données et les instructions sont stockées dans des bus séparés, elle est très avantageuse pour de nombreux utilisateurs.
• L’architecture Harvard suit l’arrangement « Pipeline ». Si l’exécution d’une instruction est en cours, l’autre instruction serait extraite de la mémoire. Cela permet le chevauchement des instructions donc le taux d’exécution est augmenté considérablement.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) et CISC (Complex Instruction Set Computer) sont les méthodologies utilisées dans l’architecture Harvard. Dans le microcontrôleur RISC, les données sont de 8 bits, alors que les instructions ont une largeur de 12 bits ou de 16 bits. Ainsi, tout est exécuté à la fois, ce qui entraîne une augmentation des performances.
• Dans les CISC, les données et les instructions ont une largeur de 8 bits. Ils ont généralement plus de 200 instructions. Mais elles ne peuvent pas être exécutées à la fois plutôt récupérées simultanément.
• L’unité d’exécution est composée de 2 unités arithmétiques et logiques, 1 décaleur, 1 multiplicateur, des accumulateurs, etc. Ainsi, ils peuvent exécuter des opérations arithmétiques de manière stable et avec un excellent parallélisme.
• De nombreux microcontrôleurs utilisent également une table de consultation. (LUT). Ils ont fait utilisés à des fins de modulation.

ADVANTAGES ET DÉSAVANTAGES DE L’ARCHITECTURE HARVARD

ADVANTAGES:

• Puisque les données et les instructions sont stockées dans des bus séparés, il y a très peu de chances de corruption.
• Les données qui utilisent le mode Read-Only et les instructions qui utilisent le mode Read-Write sont exploitées de la même manière. On peut également y accéder de manière similaire.
• Généralement, deux mémoires seraient présentes, l’une pour les données et l’autre pour les instructions, elles ont des tailles de cellules différentes faisant un usage très efficace des ressources.
• La bande passante qui est utilisée pour la mémoire est plus prévisible.
• Elles offrent généralement des performances élevées car les données et les bus sont conservés dans des mémoires séparées et voyagent sur des bus différents.
• L’accès parallèle aux données et aux instructions peut être maintenu.
• L’ordonnancement ne serait plus nécessaire car il y a des bus séparés pour les données et les instructions.
• Les programmeurs peuvent concevoir l’unité de mémoire selon leurs besoins.
• L’unité de contrôle obtient les données et les instructions d’une seule mémoire. Ainsi, elle simplifie l’architecture de l’unité de commande.

DISADVANTAGES:

• La mémoire de données inoccupée ne peut pas être utilisée par les instructions et la mémoire d’instructions libre ne peut pas être utilisée par les données. La mémoire dédiée à chaque unité doit être équilibrée avec soin.
• Le programme ne peut pas être écrit par la machine toute seule comme dans l’architecture Von Neumann.
• L’unité de contrôle prend plus de temps à développer et est du côté coûteux.
• Il y a 2 bus sur l’architecture. Ce qui signifie de la manière que la carte mère serait plus complexe, ce qui signifie à son tour qu’il y aurait deux RAM et tend donc à avoir une conception de cache très complexe. C’est la raison pour laquelle il est utilisé principalement à l’intérieur de l’unité centrale et non à l’extérieur.
• La production d’un ordinateur avec 2 bus prend plus de temps pour être fabriqué et est à nouveau sur le côté coûteux comme l’unité de contrôle.
• Il a plus de broches sur ses circuits intégrés. Par conséquent, il est très difficile de le mettre en œuvre.
• Il n’est pas largement utilisé, donc son développement serait à la traîne.
• Il ne fait pas la plupart de l’unité centrale de traitement, toujours.

SOMMAIRE DE L’ARCHITECTURE HARVARD

• Base : Il est basé sur le modèle d’ordinateur Harvard I.
• Mémoire : Il possède une mémoire séparée pour les données et les instructions. Ainsi, on peut accéder simultanément à chaque système sur la mémoire.
• Traitement des instructions : Dans l’architecture Harvard, le traitement des instructions peut être achevé en une seule phase si les pipelines sont à leurs places appropriées.
• Coût : L’unité de contrôle dans l’architecture Harvard prend plus de temps à développer et est du côté coûteux.
• Utilisations : Ils sont principalement utilisés dans les microcontrôleurs et les processeurs de signaux numériques.

Donc, nous devrions opter pour l’architecture de Harvard si,

• Les instructions sont plus larges que les données. Dans ce cas, si les instructions seraient traitées séparément, elles peuvent conduire à une sortie plus fiable. Alors que, si elles sont mises dans la même cellule que les données, elles ont tendance à se chevaucher provoquant ainsi des errances.
• On doit faire attention si les Caches sont en lecture seule. En effet, si les Caches ont une option de lecture-écriture, cela pourrait prendre plus de temps pour son développement et cela pourrait être complexe aussi.
• Ils devraient avoir une bande passante séparée pour une meilleure optimisation.
• Très efficace en cas de « JIT », Just in Time Compilers où la pénalité de copier-coller serait offensée, la métaprogrammation est présente et le code auto-modifiant est également disponible.
• Où l’aspect programmation serait la principale préoccupation. Parce qu’avec les microcontrôleurs, il serait difficile de concevoir et de développer d’autres variantes car les cartes mères à l’intérieur seraient complexes à comprendre et s’avéreraient être une tâche fastidieuse dans l’ensemble.
• Les processeurs embarqués peuvent être développés car ils sont destinés à avoir des caractéristiques qui à leur tour favorisent la diaphonie des deux côtés, s’ils ont de grandes largeurs de bande de mémoire et un lien d’adresse plat.
• Le concept de pile est mis en œuvre. L’unité d’adresse ne devrait pas être compliquée car elle pourrait avoir à exécuter au moins 2 chemins en parallèle. Le compteur de programme et le pointeur de pile seraient présents. Les registres qui sont présents dans les pointeurs peuvent être incrémentés ou décrémentés.
• Certains processeurs de signaux numériques utilisent le concept « LIFO ». Last in First Out. Ceci est également appelé pile matérielle. De cette façon, nous pouvons pousser et pop la pile plus rapidement, donc il ne nécessite pas l’utilisation de bus d’adresse.

CONCLUSION:

Ainsi, nous avons discuté de l’architecture Harvard en détail. Nous avons également vu tous les avantages et les inconvénients de l’architecture de Harvard. Des exemples ont été discutés afin de rendre le tout plus clair aux yeux de l’utilisateur. Ainsi, nous devons nous assurer que nous maîtrisons complètement l’architecture pour en obtenir les meilleurs résultats. Nous devons également être clairs sur les cas où nous devons utiliser l’architecture de Harvard et de Von Neumann et faire un usage efficace de ce que nous utilisons. N’hésitez pas à poster vos commentaires et à partager vos suggestions également pour en discuter davantage !

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

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