Harvard Architecture

BEVEZETÉS

A mikrokontrollerek általában kétféle architektúrát használnak.

• Von Neumann architektúra
• Harvard architektúra

A Von Neumann architektúra vezérlőegységből, aritmetikai és logikai egységből, bemenetből/kimenetből és regiszterekből áll.

A Von Neumann architektúrában, amelyet sok mikrokontroller használ, a memóriaterület ugyanazon a buszon van, és ezáltal az utasítások és az adatok ugyanazt a memóriát kívánják használni. A tárolt programú számítógép koncepcióját használja.

A Harvard architektúra az aritmetikai logikai egységből, az adatmemóriából, a be- és kimenetből, az adatmemóriából, az utasításmemóriából és a vezérlőegységből áll.

A Harvard architektúra, külön memóriával rendelkezik az adatok és az utasítások számára. Így az utasítás és az adat egyszerre hívható le, ami kényelmes a felhasználók számára.

A Harvard architektúrában az utasításokat a csak olvasható memóriában, az adatokat pedig az írható-olvasható memóriában használják.

A Harvard architektúrát leginkább a CPU-val együtt használják, de időnként a főmemóriával együtt is, mivel kissé bonyolult és drága.

A Harvard architektúra esetében az utasítások és az adatok memóriájának mérete eltérő. A programok soha nem futhatnak automatikusan, és a memória szervezése nem a felhasználó kezében van. Ebben a cikkben a Harvard-architektúra különböző jellemzőit tekinthetjük át.

PÉLDÁK A HARVARD-ARCHITEKTÚRA

A Harvard-architektúra egyik példája a korai számítógépes Mainframe-rendszerek, ahol az utasításokat az egyik programozóeszközön, például lyukkártyákon, az adatokat pedig a másik [programozóeszközön, például szalagokon tárolják. A Harvard-architektúra eredményei a hozzájuk tartozó képek.

Az adatfolyam- és a redukciós gépek szintén a Harvard-architektúra példái. Ezek nagyfokú párhuzamosságot mutatnak, ami azt jelenti, hogy az adatok és az utasítások eredményei egyszerre érhetők el.



A Harvard-architektúra példájaként említhetők a kvantumszámítógépek is. A különbség a többi számítógép és a kvantumszámítógép között az, hogy mennyi időre van szükségük egy feladat elvégzéséhez, és milyen sorrendben rangsorolják az időzítéseket.

A világháborúkban használt Enigma gépek szintén a Harvard architektúrát követik,

A Harvard architektúra másik fő példája a DIGITÁLIS SZIGNÁLPROCESSOR, amely elsősorban a Harvard architektúra koncepciójától függ. Lássuk, hogyan működik a DSP részletesen.

DIGITÁLIS JELPROCESSOR

• A digitális jelfeldolgozókat adatfolyamra használják, és egyidejűleg több utasítás lehívására használják egy speciális memóriaarchitektúra és külön adat- és programmemória segítségével.
• A DSP-k matematikailag manipulálják a valós világbeli szempontokat, például hangot, videót, hangot, nyomást, és digitalizálják őket.
• A matematikai műveletek, például összeadás, kivonás, szorzás és osztás elvégzésére is használják. A jelek feldolgozása azért lényeges, mert az általuk tartalmazott információkat meg kell jeleníteni és elemezni kell, hogy más jellé, a felhasználók által igényelt formátumba konvertálhatók legyenek, hogy érdekesnek találják.
• Az analóg-digitális átalakítók vállalják a fenti szempontok digitális jelekké való átalakítását 0 és 1 formájában. A DSP ezután veszi a digitalizált jelet, és feldolgozza őket.
• A digitalizált jeleket veszi, és analóg jelekké alakítja át ismét analóg jelekké az Analog to Digital Convertor segítségével, így a valós világ számára hasznos. A sebesség, amellyel mindezek a folyamatok végbemennek, nagyon nagy.
• Lássuk, hogyan működik a digitális jelfeldolgozó az Mp3 eszközökön. Általában vevőkészülékeken keresztül veszi a bemeneteket, és analóg-digitális átalakítóval digitális jellé alakítja őket (0 és 1 formájában). Az átalakítási fázis után kódolás történik, és a kódolt fájl ezáltal memóriába kerül.
• A következő a dekódolási fázis, ahol a fájlt kiveszik a memóriából, és a digitális-analóg átalakító segítségével analóg jelekké alakítják, majd a kimenet a hangszórórendszeren keresztül érkezik. Ez a folyamat az Mp3 készülékben történik. Olyan összetett funkciókat is végrehajt, mint a hangerőszabályozás, a frekvenciák szerkesztése és így tovább.
• A DPS-t a számítógép olyan dolgok vezérlésére használhatja, mint a hatékonyság, az átvitel stb. A jelek először a feldolgozási fázison, majd az átviteli fázison mennek keresztül. A telekonferencia telefonjeleket használ a hang- és videóvonalak továbbítására. A jelek minősége manipulálható vagy improvizálható, hogy jobbnak tűnjön a felhasználó szemében. A felhasználó szeme számára láthatatlan lesz. Példa: Visszhangszűrés a telefonokon.
• Bár a jeleket a valóságban analóg módon lehet feldolgozni, ezek a digitálisan feldolgozott jelek nagy sebességgel továbbíthatók, és nagyon pontosak.

Egy DSP-n BELÜLI KOMPONENSEK

A digitális jelfeldolgozó a következő részekből áll:

Programmemória:

A feldolgozott adatokat használja, és a programot a memóriában tárolja. Ez általában nem illékony. Ebben a programmemóriában flashmemóriát használnak, ahol az átprogramozás egy hardveres interfész segítségével lehetséges. A programmemória pedig általában a verem fogalmát használja.

Adatmemória:

Az adatmemóriát véletlen hozzáférésű memóriának nevezik. Ez egy átmeneti hely a változók és konstansok tárolására a program végrehajtása során. A memória mennyisége, amely RAM, mikrokontrollerenként változik.

Compute Engine:

Matematikai műveleteket végez, valamint adatokat és programokat gyűjt össze a megfelelő helyekről. Az utasításokat a programmemóriából, az adatokat pedig az adatmemóriából gyűjti össze.

Bemenet/Kimenet:

A külső eszköz és a mikrokontroller közötti adatátvitelre használt technikát nevezzük bemenetnek/kimenetnek. A felhasználó az Input/Outputon keresztül kommunikál a mikrokontrollerrel. A felhasználók a beviteli eszköz billentyűzetén keresztül adják meg adataikat, és a kívánt kimenetet a külső eszköz nyomtatójáról vagy merevlemezéről gyűjtik be. Ezeket a be- és kimeneti eszközöket perifériáknak nevezzük, és ezek a mikrokontroller rendszerben használt leggyakoribb eszközök.

A DIGITÁLIS SZIGNÁLPROCESSOR ARCHITEKTÚRA

SZOFTVER ARCHITEKTÚRA:

A DSP-ben használt utasításkészletek szabálytalanok. Míg az általános utasításkészleteket a számítógép szokásos műveleteihez használják, addig a DSP készleteket speciális matematikai műveletekhez.

Az összeszerelési programokat általában könyvtárakba helyezik újrafelhasználás céljából, ehelyett más gépek fordítói módszereket használnak az alapvető algoritmusok tárolására. Sok DSP-ben használt program általában kézzel íródik, hogy megkönnyítse a programozást.

Az adatutasítások különböző műveleteket tartalmaznak, mint például aritmetikai utasításokat, boolékat, logikai utasításokat és, áramlási utasításokat.

A programáramlás pipelines architektúrából és több akkumulátorból áll.

HARDWARE ARCHITEKTÚRA:

A hardverarchitektúra a rendszer fizikai összetevőiből áll. Általában ezek biztosítják a helyet, hogy más rendszerek elférjenek az eszközben, és értékelik a többi szoftverkomponenst is. Emellett helyet biztosítanak a szoftverkomponensek hatékony használatához. Egyesítik a mérnöki munka különböző ágazatait, hogy együtt dolgozzanak, és új gépeket és architektúrát fejlesszenek ki.

Mégis fel kell ismernünk, hogy a hardverkomponensek nem tudnak megfelelően működni a szoftverkomponensek segítsége nélkül. Ha például a modern repülőgépeket vesszük, akkor a hatékony működéshez szoftveres beágyazott kódot kell használnunk.

MEMÓRIUM ARCHITEKTÚRA:

A digitális jelfeldolgozókat általában adatok futtatására használják, és speciális memóriatechnikákat alkalmaznak, hogy az adatokat és az utasításokat külön-külön, különböző utakon hívják le (a Harvard-architektúra fogalma), az adatokat és az utasításokat pedig ugyanazon a buszon hívják le, mint a Von Neumann-architektúrában használtak.

A memória időnként a gyorsítótárat használta a késleltetési műveletek ismeretére.

VIRTUÁLIS EMLÉK:

A DSP-k általában nem használnak virtuális memóriát, mivel a többfeladatos műveletekre támaszkodnak. A virtuális memóriát használó műveletek általában a fogalomváltás koncepcióját használják, ami bizonyítottan növeli a késleltetést.

MODERN DSP-k

A modern digitális jelfeldolgozók még jobb eredményeket hoznak. Ez az alacsony szintű tervezésnek, a fejlett gyorsítótárnak stb. köszönhető.

Az egyes DSP-k különböző sebességűek lehetnek. Sok alacsony sebességű digitális jelfeldolgozó processzor létezik, amelyeket speciális feladatok elvégzésére terveztek.

Az XMOS számos mikro-magos processzort gyárt. Ezek könnyen programozhatók a C nyelv használatával.

Az SEVA a modern DSP, amely MAC struktúrát használ.

Az Analog Devices SHARC alapú DSP rendszert használ.

A Microchip Technologies a PIC 24 képekben használják.

A legtöbb DSP fix aritmetikai értékeket használ. A lebegő DSP-k dinamikus értékek esetén érvénytelenné válhatnak. Sok terméktervező lebegő DSP-ket használ, ha úgy gondolják, hogy az eszköznek költséghatékonynak kell lennie, valamint a megbízható szoftverért cserébe drága hardverrendszereket használnak.

A modern DSP-ket általában könnyen megvalósítható algoritmusokban használják.

A DSP-k előnyei és hátrányai

előnyök:

• Nagyon pontosak. Kimeneteik nagy pontossággal rendelkeznek az analóg eszközökhöz képest.
• Az analóg eszközök újraszervezése nagyon nehézzé válhat. A digitális jelfeldolgozókban ez egyszerű, mivel a kód másodpercek alatt felvillan, így a felhasználók számára kényelmessé válik.
• A magas szintű algoritmusok speciális módszerekkel valósíthatók meg.
• A digitális jelfeldolgozókban a megvalósítás költsége sokkal kisebb az analóg processzorokhoz képest.
• A DSP-k könnyen leereszthetők, ha összehasonlítjuk a többi processzorral.
• A DSP-k offline is működtethetők, ami lehetővé teszi a könnyű szállítást.

CONS:

• Ez meglehetősen összetett, mivel átalakítókat használ. ADC (analóg-digitális átalakító) és DAC (digitális-analóg átalakító).
• Minden DSP külön hardver- és szoftvereszközökkel rendelkezik. Így a DSP-ket nem lehet megfelelő képzés nélkül használni.
• A digitális átvitelhez nagyobb sávszélességre van szükség, mint az analóg átvitelhez.
• Az IC-ket óvatosan kell használni, mivel nagyon drágák.
• A fogalmakat egyértelműen el kell sajátítanunk, mivel a jelenlévő vezérlőegység összetettebb, és az újratervezés fárasztó munka lenne.

FAKTÁK A HARVARD ARCHITEKTÚRÁRÓL

• A Harvard-architektúra felgyorsítja a processzor sebességét. Mivel az adatok és az utasítások külön buszokon tárolódnak, ez sok felhasználó számára nagyon előnyös.
• A Harvard architektúra a “Pipeline” elrendezést követi. Ha az egyik utasítás végrehajtása folyamatban van, a másik utasítás a memóriából kerül lekérésre. Ez lehetővé teszi az utasítások átfedését, így a végrehajtási sebesség jelentősen megnő.
• A Harvard architektúrában alkalmazott módszerek a RISC (Reduced Instruction Set Computer) és a CISC (Complex Instruction Set Computer). A RISC mikrokontrollerben az adatok 8 bitesek, míg az utasítások 12 vagy 16 bit szélesek. Így minden egyszerre kerül végrehajtásra, ami nagyobb teljesítményt eredményez.
• A CISC-ben mind az adatok, mind az utasítások 8 bit szélesek. Általában több mint 200 utasítással rendelkeznek. De ezeket nem lehet egyszerre végrehajtani inkább egyszerre lehívni.
• A végrehajtó egység 2 aritmetikai és logikai egységből, 1 shifterből, 1 szorzóból, akkumulátorokból stb. áll. Így stabilan és kiváló párhuzamossággal képesek az aritmetikai műveletek végrehajtására.
• Néhány mikrokontroller is használ Lookup Table-t. (LUT). Ezek modulációs célokra készültek.

A HARVARD ARCHITEKTÚRA ELŐNYEI ÉS HÁTVÁNYAI

ELŐNYEI:

• Mivel az adatokat és az utasításokat külön buszokon tárolják, nagyon kicsi a korrupció esélye.
• A csak olvasási módot használó adatok és az írási-olvasási módot használó utasítások ugyanúgy működnek. Hozzáférésük is hasonlóan történik.
• Általában két memória van jelen, az egyik az adatok, a másik az utasítások számára, különböző cellamérettel rendelkeznek, így nagyon hatékonyan használják ki az erőforrásokat.
• A memóriához használt sávszélesség kiszámíthatóbb.
• Általában nagy teljesítményt nyújtanak, mivel az adatokat és a buszokat külön memóriában tárolják, és különböző buszokon közlekednek.
• Az adatokhoz és az utasításokhoz való párhuzamos hozzáférés fenntartható.
• Az ütemezésre már nem lenne szükség, mivel az adatok és az utasítások számára külön buszok állnak rendelkezésre.
• A programozók a memóriaegységet az igényeiknek megfelelően alakíthatják ki.
• A vezérlőegység az adatokat és az utasításokat egy memóriából kapja. Így egyszerűsíti a vezérlőegység architektúráját.

HÁTrányok:

• A nem foglalt adatmemóriát nem használhatják utasítások, és a szabad utasításmemóriát nem használhatják adatok. Az egyes egységekhez rendelt memóriát gondosan ki kell egyensúlyozni.
• A programot nem tudja a gép önállóan megírni, mint a Von Neumann architektúrában.
• A vezérlőegység kifejlesztése több időt vesz igénybe és a drágább oldalon áll.
• Az architektúrában 2 busz van. Ami egyébként azt jelenti, hogy az alaplap összetettebb lenne, ami viszont azt jelenti, hogy két RAM lenne, és így hajlamos lenne egy nagyon összetett gyorsítótár kialakítására. Ez az oka annak, hogy többnyire a CPU-n belül használják, és nem azon kívül.
• A 2 buszos számítógép gyártása több időt vesz igénybe, és ismét a drágább oldalon van, mint a vezérlőegység.
• Ez több tűvel rendelkezik az IC-ken. Ezért nagyon nehéz megvalósítani.
• Nem használják széles körben, ezért a fejlesztése hátul kullogna.
• Nem teszi ki a legtöbbet a központi feldolgozó egységből, mindig.

A HARVARD ARCHITEKTÚRA ÖSSZEFOGLALÓJA

• Az alapok: A Harvard I számítógép-modellen alapul.
• Memória: Külön memóriával rendelkezik az adatok és az utasítások számára. Így a memóriában lévő minden rendszerhez egyszerre lehet hozzáférni.
• Instrukciófeldolgozás: A Harvard architektúrában az utasításfeldolgozás egyfázisban elvégezhető, ha a csővezetékek a megfelelő helyen vannak.
• Költség: A Harvard architektúrában a vezérlőegység kifejlesztése több időt vesz igénybe, és a drágább oldalon van.
• Használatok: Elsősorban mikrokontrollerekben és digitális jelfeldolgozókban használják.

A Harvard architektúrát tehát akkor érdemes választanunk, ha,

• Az utasítások szélesebb körűek, mint az adatok. Ebben az esetben, ha az utasításokat külön feldolgoznánk, megbízhatóbb kimenethez vezethet. Míg, ha az adatokkal egy cellába kerülnek, akkor hajlamosak átfedni, így hibákat okozva.
• Vigyáznunk kell, ha a gyorsítótárak csak olvashatóak. Ha ugyanis a Cache-ek Read-Write opcióval rendelkeznek, az több időt vehet igénybe a fejlesztéséhez, és bonyolult is lehet.
• A jobb optimalizálás érdekében külön sávszélességgel kellene rendelkezniük.
• Nagyon hatékony a “JIT”, Just in Time Compilers esetében, ahol a copy-paste büntetés sérülne, a metaprogramozás jelen van, és az önmódosító kód is elérhető.
• Ahol a programozási szempont lenne a fő szempont. Mert a mikrokontrollereknél nehéz lenne más változatokat tervezni és fejleszteni, mivel a bennük lévő alaplapokat bonyolult lenne megérteni, és összességében fárasztó feladatnak bizonyulna.
• A beágyazott processzorokat azért lehet fejleszteni, mert olyan tulajdonságokat szánnak nekik, amelyek viszont elősegítik a keresztbeszélgetést mindkét oldalon, ha nagy memória-sávszélességgel és lapos címkapcsolattal rendelkeznek.
• A stack fogalma megvalósul. A címegység ne legyen bonyolult, mivel lehet, hogy legalább 2 útvonalat kell párhuzamosan futtatni. A programszámláló és a veremmutató jelen lenne. A mutatókban lévő regiszterek növelhetők vagy csökkenthetők.
• Egyes digitális jelfeldolgozók a “LIFO” koncepciót használják. Last in First Out. Ezt hardveres veremnek is nevezik. Ily módon gyorsabban tudjuk a veremet pusholni és popolni, ezért nincs szükség a címbuszok használatára.

Összefoglalás:

Ezzel a Harvard architektúrát részletesen megbeszéltük. Láttuk a Harvard architektúra összes előnyét és hátrányát is. Példákat vitattunk meg, hogy a felhasználó szemének érthetőbbé tegyük. Így meg kell győződnünk arról, hogy teljesen elsajátítjuk az architektúrát, hogy a legjobb eredményeket érjük el vele. Tisztában kell lennünk azzal is, hogy melyik példányban kell használnunk a Harvard és a Von Neumann architektúrát, és hatékonyan használjuk azt, amit használunk. Nyugodtan tegye meg észrevételeit, és ossza meg javaslatait is, hogy többet beszélhessünk!!!

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