Von-Neumannova vs. Harvardova architektura

Pojmem počítačové architektury se označuje soubor pravidel, která uvádějí, jak jsou počítačový software a hardware vzájemně kombinovány a jak se vzájemně ovlivňují, aby byl počítač funkční, dále počítačová architektura také určuje, které technologie je počítač schopen zvládnout.

Počítačová architektura je specifikace, která popisuje, jakým způsobem spolu software a hardware interagují, aby vytvořily funkční platformu.

Když člověk pomyslí na slovo „architektura“, lidská mysl si pravděpodobně vybaví montáž budov nebo domů, navíc se stejným principem na mysli, počítačová architektura zahrnuje konstrukci počítačového systému uvnitř i navenek.

V počítačové architektuře existují tři hlavní kategorie:

• Konstrukce systému:
  • Konstrukce systému jsou hardwarové části, které zahrnují víceprocesory, řadiče paměti, CPU, datové procesory a přímý přístup do paměti. Návrh systému lze považovat za vlastní počítačový systém.
• Architektura instrukční sady:
  • Tato se točí kolem procesoru. Zahrnuje schopnosti a funkce procesoru, dále také datové formáty procesoru, programovací jazyk a typy registrů a instrukcí procesoru, které používají programátoři počítače.
  • Procesor je ta část v počítači, která zajišťuje běh programu, ať už to byl operační systém nebo aplikace jako Photoshop.
• Mikroarchitektura:
  • Mikroarchitektura v systému určí paměťové prvky/datové cesty a způsob jejich implementace do architektury instrukční sady, mikroarchitektura je také zodpovědná za zpracování dat.

Všechny tyto prvky se v určitém pořadí spojí, aby byl systém funkční.

Co je von Neumannova architektura?

V roce 1945 se John von Neumann, který byl v té době matematikem, ponořil do studie, že, počítač může mít pevnou jednoduchou strukturu a přesto může provádět jakýkoli druh výpočtu bez hardwarových úprav. A to za předpokladu, že počítač je správně naprogramován se správnými instrukcemi, v nichž je schopen je vykonávat.

Von Neumannův hlavní pokrok byl označován jako „podmíněný přenos řízení“, který umožnil přerušení programové sekvence a její opětovné spuštění v libovolném okamžiku, dále tento pokrok umožnil uložení dat s instrukcemi ve stejné paměťové jednotce.

To bylo výhodné, protože v případě potřeby lze instrukce aritmeticky upravit stejným způsobem jako data.

Von Neumannova architektura popisuje návrhový model digitálního počítače s uloženým programem, který obsahuje pouze jednu jedinou výpočetní jednotku a jednu jedinou samostatnou paměťovou strukturu, která bude obsahovat jak instrukce, tak data.

Von Neumannova architektura označuje takovou, která uchovává data i naprogramované instrukce ve čtecí a zapisovací paměti RAM (Random Access Memory).

Charakteristika von Neumannovy architektury

Jak bylo uvedeno výše, von Neumannova architektura je založena na tom, že data programu a data instrukcí jsou uložena ve stejné paměťové jednotce. To lze také označit jako „koncepci uloženého programu“.

Tato konstrukce se stále používá v počítačích vyráběných v současnosti:

Centrální procesorová jednotka (CPU):

• Centrální procesor je elektronický obvod, který vykonává instrukce počítačového programu.
• Centrální procesor lze také označit jako mikroprocesor nebo procesor.

V rámci CPU se nachází ALU, CU a registry, které jsou podrobněji popsány níže:

Řídicí jednotka:

• Řídí činnost ALU, paměti a vstupu/výstupu a dává jim pokyny, jak mají reagovat na instrukce z programu, který právě přečetla a interpretovala z paměťové jednotky. Řídicí jednotka řídí operace procesoru prováděním následujících úloh:
  • Koordinace a řízení činností CPU
  • Řízení toku dat mezi ostatními součástmi a CPU
  • Potvrzení a přijetí další instrukce
  • Dekódování instrukcí
  • Uložení výsledných dat zpět do paměťové jednotky

Aritmetická a logická jednotka (ALU):

• Umožňuje provádět logické a aritmetické operace, jako je sčítání a odčítání.
• (Logické operátory jsou: AND, OR, NOT, XOR)

Paměťová jednotka:

• Skládá se z paměti RAM, která je rozdělena na oddíly a skládá se z adresy a jejího obsahu, který je v binárním tvaru.
• RAM (Random Access Memory) je rychlý typ paměti, na rozdíl od pevných disků je také přímo přístupná procesoru.
• Existence paměti RAM v procesoru mu umožňuje fungovat mnohem rychleji, a tedy efektivněji.

Registry:

• Malý blok v CPU, který se skládá z vysokorychlostních paměťových buněk, v nichž se ukládají data před jejich zpracováním, probíhají zde všechny logické, aritmetické a posunové operace.
• Registr se skládá z 5 složek
  • Čítač programu (PC): Uchovává adresu následující instrukce, která má být provedena
  • Akumulátor (AC): Paměťový registr (MAR): Uchovává adresu umístění dat, z nichž se má číst nebo do nichž se má zapisovat
  • Paměťový datový registr (MDR): Dočasné paměťové místo, které uchovává data, která byla přečtena, nebo data, která je třeba ještě zapsat
  • Current Instruction Register (CIR): Oblast, kde se provádí aktuální instrukce. Operace je rozdělena na operand a opcode.
    • Operand: Obsahuje data nebo adresu dat (na které se bude operace provádět)
    • Opcode: Určuje typ instrukce, která bude provedena

Busy:

• Jedná se o sadu paralelních vodičů, které propojují komponenty (dvě nebo více) uvnitř procesoru. V rámci CPU existují tři typy sběrnic a všechny se označují jako systémová sběrnice. Jedná se o tyto typy sběrnic: Datová sběrnice, řídicí sběrnice a adresová sběrnice.
• Datová sběrnice: Tato sběrnice se označuje jako obousměrná, což znamená, že „bity“ mohou být přenášeny oběma směry. Přenáší adresu paměti určující, odkud se mají příslušná data odeslat nebo načíst. (Adresová sběrnice nepřenáší data, pouze adresu)
• Řídicí sběrnice: Jedná se rovněž o obousměrnou sběrnici, která slouží k přenosu „řídicích signálů“/příkazů z procesoru (a stavových signálů z ostatních komponent) za účelem řízení a koordinace všech činností v počítači.

Vstupy/výstupy:

• Informace předané od uživatele/informace přijaté uživatelem.

Výhody a nevýhody von Neumannovy architektury

Výhody	Nevýhody
Řídicí jednotka získává instrukce a data stejným způsobem z jedné paměťové jednotky. To zjednodušuje vývoj a návrh řídicí jednotky	Paralelní provádění programů není umožněno kvůli sériovému zpracování instrukcí
Výše uvedená výhoda by také znamenala, že data z paměti a ze zařízení se získávají stejným způsobem. Zvyšuje se tedy efektivita	Najednou lze přistupovat pouze k jedné „sběrnici“. To má za následek, že procesor je nečinný (protože je rychlejší než datová sběrnice) To je považováno za von Neumannovo úzké hrdlo
Výhodnou vlastností je, že programátoři mají kontrolu nad organizací paměti	Ačkoli uložení instrukcí i dat na stejném místě lze považovat za výhodu jako celek. To však může vést k přepisování přes ni, což má za následek ztrátu dat, v důsledku chyby v programu
	Pokud chybný program neuvolní paměť, když ji nepotřebuje (nebo s ní neskončí), může to způsobit pád počítače, v důsledku nedostatečné dostupné paměti

Von Neumannovo úzké hrdlo

Jelikož se u procesorů a počítačů v průběhu let zvyšovala rychlost zpracování a zlepšovala se spíše kapacita paměti než její rychlost, vznikl termín „von Neumannovo úzké hrdlo“. Je to proto, že procesor tráví velké množství času nečinností (nicneděláním), zatímco čeká na načtení dat z paměti. Nezáleží na tom, jak je procesor rychlý, v konečném důsledku to závisí na rychlosti přenosu, ve skutečnosti, pokud je procesor rychlejší, znamená to jen, že bude mít větší dobu „nečinnosti“.

Přístupy k překonání tohoto úzkého místa zahrnují:

• Ukládání do mezipaměti:
  • Data, která jsou snadněji dostupná v paměti RAM, než uložená v hlavní paměti. Zde bude uložen typ dat, který je často používán.
• Přednačítání:
  • Transport některých dat do mezipaměti předtím, než jsou požadována. Tím se urychlí přístup v případě požadavku na data.
• Multithreading:
  • Řízení mnoha požadavků současně v samostatných vláknech.
• Nové typy paměti RAM:
  • Například DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory).
  • Tento typ paměti RAM aktivuje výstup jak na sestupné, tak na vzestupné hraně systémových hodin, namísto pouze na vzestupné hraně.
  • To může potenciálně zdvojnásobit výstup.
• RAMBUS:
  • Subsystém spojující řadič RAM, RAM a sběrnici (cestu) spojující RAM s mikroprocesorem a zařízeními v počítači, která ji využívají.
• Zpracování v paměti (PIM):
  • PIM integrují procesor a paměť v jednom mikročipu.

Co je harvardská architektura?

Harvardská architektura je pojmenována podle počítače „Harvard Mark I“ založeného na relé, což byl počítač IBM na Harvardské univerzitě.

Počítač ukládal instrukce na „děrnou pásku“ (širokou 24 bitů), dále se data ukládala do elektromechanických čítačů. Procesor těchto raných počítačových systémů obsahoval výhradně úložiště dat a neposkytoval žádný přístup k úložišti instrukcí jako k datům.

Harvardská architektura je typ architektury, která ukládá data a instrukce odděleně, tedy rozděluje paměťovou jednotku.

Procesor v systému s harvardskou architekturou může načítat data a instrukce současně díky tomu, že architektura má samostatné sběrnice pro přenos dat a načítání instrukcí.

Charakteristika harvardské architektury

Oba typy architektur obsahují stejné součásti, avšak hlavní rozdíl spočívá v tom, že v harvardské architektuře lze přednačítání instrukcí a přenos dat provádět současně (simultánně) (protože systém má dvě sběrnice, jednu pro přenos dat a jednu pro načítání instrukcí).

Výhody a nevýhody harvardské architektury

Výhody	Nevýhody
Díky tomu, že instrukce a data se přenášejí po různých sběrnicích, to znamená menší pravděpodobnost poškození dat	Paměť vyhrazená pro každou z nich (data a instrukce) musí být od výrobce vyvážená. Protože pokud je volná datová paměť, nelze ji použít pro instrukce a naopak
K instrukcím a datům lze přistupovat stejným způsobem	Tato výhoda (vlevo) má však za následek složitější architekturu, protože vyžaduje dvě sběrnice. Což znamená, že výroba zabere více času a prodražuje tyto systémy
Harvardská architektura nabízí vysoký výkon, protože tato architektura umožňuje současný tok dat a instrukcí. Ty jsou uchovávány v oddělené paměti a putují po samostatných sběrnicích	Tato architektura je však i přes vysoký výkon velmi složitá, zejména pro výrobce základních desek, na implementaci
Díky tomu, že architektura má oddělenou paměť pro instrukce a data, je větší šířka paměťového pásma, která je předvídatelnější	Ačkoli, jak bylo uvedeno výše, k dosažení výhody vlevo vyžaduje harvardská architektura řídicí jednotku pro dvě sběrnice. Což zvyšuje složitost a ztěžuje vývoj. To vše zvyšuje cenu systému

Modifikovaná harvardská architektura

Von Neumannova architektura vs. harvardská architektura:

Von Neumannova architektura	Harvardova architektura
Založena na koncepci počítače s uloženým programem	Založena na modelu počítače Harvard Mark I založeném na relé
Využívá stejnou fyzickou adresu paměti pro instrukce a data	Používá oddělené adresy paměti pro instrukce a data
Procesory vyžadují k provedení instrukce dva takty	Procesor vyžaduje k dokončení instrukce pouze jeden takt
Von Neumannova architektura spočívá v jednodušším návrhu řídicí jednotky, což znamená, že je zapotřebí méně složitého vývoje. To znamená, že systém bude méně nákladný	Řídicí jednotka harvardské architektury se skládá ze dvou sběrnic, což má za následek složitější systém. To zvyšuje náklady na vývoj, což vede k tomu, že systém bude dražší
Výběry instrukcí a přenosy dat nelze provádět současně	Výběry instrukcí a přenosy dat lze provádět současně
Používá se v přenosných počítačích, osobních počítačích a pracovních stanicích	Používá se při zpracování signálů a v mikrokontrolérech

Modifikovaná harvardská architektura:

Čistá harvardská architektura trpí nevýhodou, že musí být zajištěn mechanismus, který oddělí načítání od programu, který má být proveden, do instrukční paměti a ponechá tak veškerá data, se kterými se má pracovat, v datové paměti.

Moderní systémy však dnes používají pro instrukční paměť technologii pouze pro čtení a pro stejnou paměť technologii pro čtení a zápis.

To umožňuje systému umožnit spuštění předem nahraného programu, jakmile je připojeno napájení.

Data však budou v neznámém stavu, a proto nemohou programu poskytnout žádné předem definované hodnoty.

Řešením tohoto problému je poskytnutí instrukcí ve strojovém jazyce, aby bylo možné obsah instrukční paměti číst, jako by to byla data, a také poskytnutí hardwarové cesty.

Většina přijetí harvardské architektury v dnešní době je modifikovaná forma, to je uvolnění přísného oddělení mezi daty a kódem při zachování vysokého výkonu souběžného přístupu k datům a instrukcím původní harvardské architektury.

Modifikovaná harvardská architektura je variantou původní harvardské architektury. Rozdíl mezi nimi však spočívá v tom, že modifikovaná architektura umožňuje přistupovat k obsahu instrukční paměti jako k datům.

Tři hlavní modifikace aplikované na modifikovanou harvardskou architekturu jsou:

• Architektura rozdělené cache:
  • Velmi podobná von Neumannově architektuře, tato modifikace vytváří hierarchii paměti s cache procesoru pro instrukce a data na nižších úrovních hierarchie.
• Architektura paměti instrukcí jako dat:
  • Tato modifikace umožňuje přistupovat k obsahu paměti instrukcí jako k datům. To lze provést, protože data se nemohou přímo vykonat jako instrukce.
  • (I když se vedou diskuse o tom, zda to lze skutečně pojmenovat jako „modifikovaná“ harvardská architektura)
• Architektura data-paměť-jako-instrukce:
  • Vykonávání instrukcí načtených z libovolného segmentu paměti, na rozdíl od harvardské architektury, která může vykonávat pouze instrukce, načtené ze segmentu paměti programu.

Shrnutí a fakta

Architektura von Neumann byla velkým pokrokem oproti programově řízeným počítačům, které se používaly ve 40. letech 20. století. Takové počítače byly programovány nastavením vkládání propojovacích vodičů a přepínačů pro směrování datových a řídicích signálů mezi různými funkčními sadami.

V dnešní době většina počítačových systémů sdílí stejnou paměť pro data i programové instrukce.

Procesor v systému s harvardskou architekturou může načítat data a instrukce současně díky tomu, že architektura má oddělené sběrnice pro přenos dat a načítání instrukcí.

Co je von Neumannova architektura?

Von Neumannova architektura označuje takovou architekturu, která uchovává data i naprogramované instrukce ve čtecí paměti RAM (Random Access Memory).

Charakteristika von Neumannovy architektury:

• Centrální procesorová jednotka (CPU)
• Řídicí jednotka
• Aritmetická a logická jednotka (ALU)
• Paměťová jednotka
• Registry:
  • Čítač programu (PC)
  • Akumulátor (AC)
  • Registr adres paměti (MAR)
  • Datový registr paměti (MDR)
  • Registr aktuálních instrukcí (CIR)
• Sběrnice:
  • Datová sběrnice
  • Adresová sběrnice
  • Řídicí sběrnice
• Vstupy/výstupy

Výhody:

• Méně nákladná/složitá ve srovnání s harvardskou architekturou
• Efektivní

Nevýhody:

• Von Neumannovo úzké hrdlo
• Větší možnost ztráty dat

Co je harvardská architektura?

• Harvardská architektura je počítačový systém, který obsahuje dvě oddělené oblasti pro data a příkazy/instrukce.
• Harvardská architektura je typ architektury, která ukládá data a instrukce odděleně, tedy rozděluje paměťovou jednotku.

Výhody:

• Menší pravděpodobnost poškození dat
• Vysoký výkon
• Větší propustnost paměti

Nevýhody:

• Složitá
• Drahá

Modifikovaná harvardská architektura:

Modifikovaná harvardská architektura je variantou původní harvardské architektury. Rozdíl mezi nimi však spočívá v tom, že modifikovaná architektura umožňuje přistupovat k obsahu paměti instrukcí jako k datům.

Tři hlavní modifikace aplikované na modifikovanou harvardskou architekturu jsou následující:

• Architektura s rozdělenou vyrovnávací pamětí
• Instrukční paměť jako data
• Datová paměť jako-instrukční architektura

1. https://www.techopedia.com/definition/19737/harvard-architecture
2. https://tdck.weebly.com/uploads/7/7/0/5/77052163/03_-_harvard_architecture_comparison.pdf
3. https://getrevising.co.uk/grids/von-neumann-architecture
4. http://differencebetween.net/technology/difference-between-von-neumann-and-harvard-architecture/
5. http://differencebetween.net/technology/difference-between-von-neumann-and-harvard-architecture/
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture
7. https://www.geeksforgeeks.org/computer-organization-von-neumann-architecture/
8. https://www.techopedia.com/definition/32480/von-neumann-architecture
9. http://www.computinghistory.org.uk/det/3665/John-von-Neumann/
10. https://www.computerscience.gcse.guru/theory/von-neumann-architecture
11. https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Harvard_architecture
12. https://www.edaboard.com/threads/harvard-vs-modified-harvard-architechture.111764/