Harvard Architecture

INTRODUCTION

マイクロコントローラは一般的に2種類のアーキテクチャを使用します。

• Von Neumann Architecture
• Harvard Architecture

Von Neumann Architectureは、制御ユニット、演算・論理ユニット、入出力、レジスタで構成されています。

ハーバードアーキテクチャは、演算論理装置、データメモリ、入出力装置、データメモリ、命令メモリ、制御装置で構成され、データ用と命令用に別々のメモリを持っている。

ハーバード・アーキテクチャでは、命令とデータを別々のメモリに搭載することで、命令とデータを同時に取り出すことができ、ユーザーにとって快適な環境を実現している。 プログラムが自動的に実行されることはなく、メモリの構成もユーザーの手に委ねられることはない。

EXAMPLES OF HARVARD ARCHITECTURE

ハーバード・アーキテクチャの一例として、初期のコンピュータ・メインフレーム・システムでは、命令がパンチカードなどのプログラミング媒体に、データがテープなどのプログラミング媒体に保存されていた。

データフローマシンやリダクションマシンもハーバード・アーキテクチャの一例であり、ハーバード・アーキテクチャの結果は、それらに対応するイメージである。

量子コンピュータもハーバード・アーキテクチャの例として挙げることができる。

世界大戦で使用されたエニグマ機もハーバード・アーキテクチャを踏襲している。

さらに、ハーバード・アーキテクチャのもうひとつの主要な例はDIGITAL SIGNAL PROCESSORで、これは主にハーバード・アーキテクチャの概念に依存している。

DIGITAL SIGNAL PROCESSOR

• Digital Signal Processor はデータをストリームするために使用され、特殊なメモリ・アーキテクチャとデータおよびプログラムメモリを使用して複数の命令を同時にフェッチするために使用されています。
• DSP は、オーディオ、ビデオ、音声、圧力など、実世界の側面を取り込んだ手順を数学的に操作し、それらをデジタル化します。 信号の処理は、それらが含まれている情報を表示し、分析する必要があるため、別の信号に変換することができ、ユーザーが必要とする形式に、彼らはそれが面白い見つけるように
• Analog to Digital Converterは、0と1の点でデジタル信号に上記の側面を変換する仕事を引き受けます。 DSPは、デジタル化された信号を受け取り、処理します。
• デジタル化された信号を受け取り、アナログ-デジタルコンバータを使って再びアナログ信号に変換し、実世界に役立つようにします。

  

  「Digital Signal Processor」はMP3機器でどう機能するか見てみましょう。 それは一般的に受信機を介して入力を取り、アナログ-デジタル-コンバータを使用して、デジタル信号（0と1の形で）に変換します。 変換フェーズの後、エンコードが実行され、エンコードされたファイルは、それによってメモリに保存されます。

• 次に来るデコードフェーズでは、ファイルをメモリから取得し、デジタル-アナログコンバータを使用してアナログ信号に変換し、出力がスピーカーシステムを通じて受信されます。 これがMP3デバイスのプロセスです。 また、音量の調節や周波数の編集など、複雑な機能も備えています。
• DPSは、コンピュータが効率や伝送などを制御するために使用することができます。 信号はまず処理段階を経て、次に送信段階を経る。 電話会議では、電話信号を使って音声や映像の回線を伝送しています。 信号の品質は、ユーザーの目によく見えるように操作したり、即興で作ったりすることができる。 ユーザーの目には見えないようにする。 例：電話のエコーキャンセル
• 実世界の信号はアナログで処理できますが、これらのデジタル処理された信号は高速で伝送でき、非常に正確です

COMPONENTS INSIDE A DSP

デジタル信号処理装置は、以下の部分で構成されています：

プログラムメモリ：処理したデータを使用して、メモリ内部にプログラムを格納します。 一般に不揮発性である。 このプログラム・メモリには、ハードウェア・インタフェースを用いて再プログラムが可能なフラッシュ・メモリが使用される。

データメモリ：

データメモリはRandom Access Memoryと呼ばれる。 プログラム実行中に変数や定数を一時的に保存する場所である。

演算エンジン：

演算を行い、データとプログラムをそれぞれの場所から収集する。

入力/出力:

外部デバイスとマイクロコントローラのデータ転送に使用される技術を入力/出力と呼びます。 ユーザーはInput/Outputを通じてマイコンと通信を行います。 ユーザーは入力デバイスのキーボードからデータを入力し、外部デバイスのプリンタやハードディスクから目的の出力を収集する。

ARCHITECTURE OF DIGITAL SIGNAL PROCESSOR

SOFTWARE ARCHITECTURE:

DSPで使用される命令セットは不定形である。

アセンブリプログラムは一般に再利用のためにライブラリに入れられるが、その代わりに他のマシンはコンパイラ方式で本質的なアルゴリズムを保存する。

データ命令は、算術命令、ブーリアン命令、論理命令、フロー命令などさまざまな演算を含む。

プログラムの流れは、パイプラインアーキテクチャと複数のアキュムレータで構成されている。 一般に、それらは他のシステムがデバイスに適合するためのスペースを提供し、また、他のソフトウェアコンポーネントを評価する。 また、ソフトウェアコンポーネントを効果的に使用するためのスペースも提供します。 しかし、ハードウェア・コンポーネントは、ソフトウェア・コンポーネントの助けなしには適切に動作しないことを認識しなければならない。 例えば、現代の航空機を例にとると、効果的に動作させるためには、ソフトウェアの組み込みコードを使用しなければならない。

MEMORY ARCHITECTURE:

デジタル信号プロセッサは、一般にデータの実行に用いられ、データと命令を異なる経路で別々にフェッチする（ハーバードアーキテクチャのコンセプト）、およびデータと命令がフォン・ノイマン・アーキテクチャで使用される同じバス上でフェッチされるという特殊なメモリ技術を使用している。

Memory at times used the cached storage to know about the delay operations.

VIRTUAL MEMORY:

DSPは一般的にマルチタスク動作に依存しているので仮想メモリは使用しない。 仮想メモリを使用する演算は、一般に、レイテンシーを増加させることが証明されているコンセプト スイッチングという概念を使用します。 これは、低レベルの設計、高度なキャッシュなどのためです。

各DSPは異なる速度にすることができます。

XMOSは多くのマイクロコアプロセッサを生産しています。

SEVA はMAC構造を用いた最新のDSPである。

Analog DevicesはSHARCベースのDSPシステムを使っている。

Microchip TechnologiesはPIC 24 imagesで使われている。

ほとんどのDSPは固定演算値を使っている。 浮動小数点演算のDSPは、動的な値の場合、無効となる可能性があります。 多くの製品設計者は、高価なハードウェアシステムと信頼性の高いソフトウェアを交換するのと同様に、デバイスが費用対効果に優れていなければならないと考える場合、浮動小数点演算DSPを使用します。

DSP’s

長所と短所：

• 高精度であること。
• アナログ機器と比較すると、その出力は高い精度を持っています。 デジタル・シグナル・プロセッサでは、コードが数秒でフラッシュされるので簡単で、ユーザーにとって快適です。
• DSP は他のプロセッサと比較すると、簡単に降下することができます。
• DSP はオフラインでも操作できるので、簡単に移動できます。

CONS:

• 変換器を使用するのでかなり複雑です。 ADC（Analog to Digital Converter）とDAC（Digital to Analog Converter）。
• それぞれのDSPは、ハードウェアとソフトウェアのデバイスが別々になっています。 そのため、DSPは適切なトレーニングなしでは使用できません。
• デジタル伝送には、アナログ伝送よりも多くの帯域幅が必要です。
• ICは非常に高価なので、慎重に使用する必要があります。
• IC は非常に高価なので、慎重に使用する必要があります。

FACTS ABOUT HARVARD ARCHITECTURE

• Harvard Architecture はプロセッサ速度を高速化させるものです。 データと命令が別々のバスに格納されるため、多くのユーザーにとって非常に有利である。
• Harvard Architectureは「パイプライン」配置を採用している。 ある命令の実行が進むと、もう一つの命令がメモリからフェッチされる。 ハーバード・アーキテクチャでは、RISC（Reduced Instruction Set Computer）とCISC（Complex Instruction Set Computer）という方式が使われている。 RISCマイコンは、データが8ビットであるのに対し、命令は12ビットまたは16ビットの幅を持っている。 CISCでは、データも命令も8ビット幅です。 一般に200以上の命令がある。
• 実行ユニットは、2つの演算ユニットと論理ユニット、1つのシフタ、1つの乗算器、アキュムレータなどで構成されている。
• 多くのマイコンはルックアップテーブルも使用しています。 (LUT)を使用しています。

HARVARD ARCHITECTURE の利点と欠点

利点：

• データと命令が別々のバスに格納されているので、破損の可能性が非常に低いです。
• 一般に、2つのメモリが存在し、1つはデータ用、もう1つは命令用で、それぞれ異なるセルサイズを持ち、リソースを非常に効果的に使用します。
• メモリに使用される帯域はより予測可能です。
• データと命令への並列アクセスを維持できる。
• データと命令用に別々のバスがあるので、スケジューリングはもはや必要ないだろう。
• プログラマは、要件に従ってメモリユニットを設計できる。
• 制御ユニットは1つのメモリからデータと命令を取得する。
• 制御ユニットは、データと命令を1つのメモリから取得するため、制御ユニットのアーキテクチャを簡素化することができます。 8953>
• Von Neumannアーキテクチャのように、プログラムを機械が勝手に書くことはできない。
• 制御ユニットは開発に時間がかかり、高価になる。 そのため、マザーボードがより複雑になり、RAMが2つになるため、非常に複雑なキャッシュ設計になる傾向があります。 バスが2本あるコンピュータは、製造に時間がかかり、コントロールユニットと同じように高価になります。
• ICのピン数が多いので、実装が大変
• 広く使われていないので、開発が後手に回る
• 中央演算処理装置をほとんど使わない

SUMMARY OF HARVARD ARCHITECTURE

• 基本事項。 ハーバードI型コンピュータのモデルをベースにしている。 データ用と命令用のメモリを別々に持っている。 このため、メモリ上の各系統を同時にアクセスすることができる。
• 命令処理。 ハーバード・アーキテクチャでは、パイプラインが適切な場所にあれば、命令処理を1回で完了できる。 ハーバード・アーキテクチャの制御ユニットは、開発に時間がかかり、高価な部類に入る。
• 用途：主にマイクロコントローラやデジタルシグナルプロセッサで使用される

したがって、

• 命令の幅がデータより広い場合は、ハーバード・アーキテクチャを使用することを選択すべきです。 この場合、命令を別々に処理すれば、より信頼性の高い出力が得られる。 一方、データと共に同じセルに置かれた場合、それらは重なり合う傾向があり、その結果エランの原因となります。
• キャッシュが読み取り専用であるかどうかに注目する必要があります。 キャッシュに読み取り/書き込みオプションがある場合、開発に時間がかかり、複雑なものになる可能性があるからです。
• より良い最適化のためには、個別の帯域幅を持つべきです。 なぜなら、マイコンでは、その中のマザーボードが理解するのが複雑で、全体として退屈な作業になることが判明するので、他のバリエーションを設計し開発するのは難しいでしょう。
• 組み込みプロセッサは、大きなメモリ帯域とフラットアドレスリンクを持っていれば、順番に両側のクロストークを促進する特性を持つことを目的としているので開発できます。
• スタックの概念が実装されている。 アドレスユニットは少なくとも2つのパスを並列に走らせる必要があるかもしれないので、複雑にならないようにする必要があります。 プログラムカウンタとスタックポインタが存在することになる。 ポインタに存在するレジスタはインクリメントやデクリメントが可能です。
• デジタルシグナルプロセッサの中には「LIFO」の概念を採用しているものもあります。 Last in First Outの略。 これはハードウェアスタックとも呼ばれます。 この方法では、スタックのプッシュとポップを高速に行うことができるため、アドレスバスを使用する必要がありません。 また、ハーバード・アーキテクチャの長所と短所もすべて見てきました。 ユーザーの目により分かりやすくするために、例題も取り上げました。 このように、私たちはこのアーキテクチャを完全にマスターして、その最良の結果を得るようにしなければなりません。 また、ハーバード・アーキテクチャとフォン・ノイマン・アーキテクチャをどのような場面で使用すべきかを明確にし、使用するものを効果的に利用する必要があります。 何かコメントを投稿したり、提案を共有したりして、もっと議論しましょう！
  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