Von-Neumann vs Harvard Architecture

The term Computer architectures refer to the set of rules stating how computer software and hardware are combined together and how they interact to make a computer functional.The computer architectures は、コンピュータのソフトウェアとハードウェアがどのように組み合わされているか、コンピュータを機能させるために、それらがどのように相互作用するかを説明した規則を指します。 さらに、コンピュータ・アーキテクチャは、コンピュータがどのような技術を扱うことができるかも規定します。

Computer Architecture は仕様であり、ソフトウェアとハードウェアがどのように相互作用して機能するプラットフォームを生み出すかを記述しています。

“architecture” という単語を考えるとき、人間の頭はおそらく建物や家の組み立てを思い浮かべると思いますが、さらに同じ原理で、コンピュータ アーキテクチャにはコンピュータ システムを内部および外部に構築するという意味もあります。

コンピュータ・アーキテクチャには、大きく分けて3つのカテゴリーがあります：

• システム設計：
  • システム設計とは、マルチプロセッサ、メモリコントローラ、CPU、データプロセッサ、ダイレクトメモリアクセスなどのハードウェア部分のことを指します。 システム設計は実際のコンピュータシステムとみなすことができます。
• 命令セットアーキテクチャ。
  • これはCPUを中心に展開される。
  • CPUはコンピュータの一部であり、それがオペレーティングシステムであろうとPhotoshopのようなアプリケーションであろうと、プログラムを実行させるものである。
    • システムのマイクロアーキテクチャは、ストレージ要素/データ パスを定義し、それらがどのように命令セット アーキテクチャに実装されるかを定義し、マイクロアーキテクチャはデータ処理も担当します。
      

      フォン・ノイマン・アーキテクチャとは

      1945年、当時数学者だったジョン・フォン・ノイマンは、コンピュータは一定の単純な構造を持ちながら、ハードウェアを変更せずにあらゆる計算を実行できるという研究を掘り下げました。 これは、コンピュータが適切な命令で適切にプログラムされ、それを実行することができることを前提としています。

      フォン ノイマン アーキテクチャは、命令とデータの両方を保持する、単一の処理ユニットと単一の独立したストレージ構造のみを組み込んだ、保存プログラム デジタル コンピュータの設計モデルについて説明しています。

      フォン・ノイマン・アーキテクチャは、プログラムされた命令だけでなくデータも読み書き可能なRAM（Random Access Memory）に保持するものを指す。

      フォン・ノイマン・アーキテクチャの特徴

      前述のように、プログラムデータと命令データが同じメモリユニットに格納されていることが、フォン・ノイマン・アーキテクチャの基本になっている。 これは「ストアード・プログラム・コンセプト」とも呼ばれる。

      この設計は、現在も生産されているコンピュータで使われている。

      

      中央処理装置（CPU）：

      • CPUとは電子回路で、コンピュータプログラムの指示を実行するものである。
      • CPUは、マイクロプロセッサまたはプロセッサとも呼ばれます。

      CPU内には、ALU、CU、レジスタがあり、以下に詳しく説明します。

      • ALU、メモリ、入出力の動作を制御し、記憶装置から読み込んだプログラムからの指示にどのように対応するかを指示する。 コントロールユニットは、以下のようなジョブを実行することで、CPUの動作を指示する。
        • CPUの活動の調整と制御
        • 他のコンポーネントとCPU間のデータの流れの管理
        • 次の命令の認識と受け入れ
        • 命令のデコード
        • 結果のデータをメモリユニットに戻す

        演算論理装置（ALU）:Arithmetic and Logical Unit (ALU):

        • 加算や減算などの論理演算や算術演算を実行できるようにする。
        • （論理演算子はAND, OR, NOT, XOR）

        メモリー・ユニット：

      メモリー・ユニットを搭載。

    • RAM (Random Access Memory) は、ハードディスクと違って高速なタイプのメモリで、CPUから直接アクセスできます。
    • CPUにRAMがあると、より速く、それゆえより効率的に機能できます。

    レジスタ：

    • CPUの小さなブロックは、処理される前にデータを格納する高速ストレージメモリセルで構成され、すべての論理、演算、およびシフト操作がここで発生します。 論理演算結果を格納する記憶領域
    • Memory Address Register (MAR): 読み出しまたは書き込みを行うデータの場所のアドレスを保持
    • Memory Data Register (MDR): 読み出しまたは書き込みを行うデータの場所のアドレスを保持。 読み込んだデータ、または書き込みが必要なデータを一時的に保存する場所
    • Current Instruction Register (CIR)：現在のインストラクション・レジスタ。 現在の命令が実行されている領域。 オペランドとオペコードに分けられます。
      • オペランド。 データまたはデータのアドレス（演算が行われる場所）を含む
      • Opcode: 実行する命令の種類を指定する

    バス。

    • CPU内部の部品（2つ以上）をつなぐ平行線の集合体です。 CPU内には3種類のバスがあり、これらをまとめてシステムバスと呼んでいる。 バスの種類は データバス、コントロールバス、アドレスバスです。
    • データバス。 このバスは双方向バスと呼ばれ、「ビット」を両方向に運ぶことができることを意味する。 このバスは、プロセッサ、メモリ・ユニット、入出力間のデータや命令の伝送に使用される。
    • アドレス・バス。 関連するデータを送信または取得する必要がある場所を指定するメモリ・アドレスを送信します。 (アドレス・バスはデータを伝送せず、アドレスのみを伝送する）
    • コントロール・バス。

    入出力：

    • ユーザーから渡される情報/ユーザーによって受信される情報。

    フォン・ノイマン・アーキテクチャの利点と欠点

    利点	欠点
    制御部は一つのメモリユニットから同じ方法で命令とデータを取り出している。 このため、制御装置の開発・設計が容易になる	シリアル命令処理のため、プログラムの並列実行ができない
    上記の利点は、メモリやデバイスからのデータも同じようにアクセスすることを意味します。 したがって効率が上がる	一度にアクセスできるのは1つの「バス」だけである。 この結果、CPUはアイドル状態になる（データバスより速いため）これがフォン・ノイマンのボトルネックと考えられている
    有利な特徴は、プログラマがメモリ構成を制御できること	命令もデータも同じ場所に格納されていることは、全体として有利と見ることができるが、このことは、プログラマがメモリ構成を制御することができることを意味する。 しかし、これはプログラムのエラーによって、その上に書き直すことになり、結果的にデータを失うことになる
    欠陥プログラムがメモリを必要としない（あるいはそれで終了する）ときにメモリを解放しない場合、コンピュータがクラッシュする原因となることがある。

    von Neumann Bottleneck

    長年のプロセッサやコンピュータの処理速度の向上と、メモリの改良により、速度よりもむしろ容量が増加したため、「von Neumann Bottleneck」と呼ばれるようになりました。 これは、CPUがメモリからデータを取り出すのを待つ間、多くの時間をアイドル状態（何もしていない状態）で過ごすためである。 プロセッサがどれほど高速であっても、これは最終的には転送速度に依存します。実のところ、プロセッサが高速であれば、これは単に「アイドル」時間が長くなることを意味します。

    このボトルネックを克服するアプローチには、次のものがあります。

    • キャッシュ：メイン メモリに格納するよりも RAM でアクセスするほうが簡単なデータ。 ここに格納されるデータの種類は、頻繁に使用されるデータの種類になります。
  • プリフェッチ：
    • 要求される前にいくつかのデータをキャッシュに格納すること。 これは、データの要求があった場合にアクセスを高速化します。
  • マルチスレッド：
    • 別々のスレッドで同時に多くの要求を管理することです。
    • このタイプの RAM は、システム クロックの立ち上がりエッジだけでなく、立ち下がりエッジと立ち上がりエッジの両方で出力を活性化します。
  • RAMBUS：
    • RAM コントローラ、RAM、および RAM をマイクロプロセッサやそれを使用するコンピュータ内のデバイスに接続するバス（パス）をつなぐサブシステムです。

  ハーバード・アーキテクチャとは

  ハーバード・アーキテクチャは、ハーバード大学のIBMコンピュータである「ハーバード・マークI」リレーベースコンピュータにちなんで命名されました。 483>

  ハーバード・アーキテクチャは、データと命令を別々に格納するアーキテクチャの一種であり、したがってメモリ・ユニットが分割されている。

  Characteristics of Harvard Architecture

  どちらのタイプのアーキテクチャも同じコンポーネントを含んでいますが、主な違いは、ハーバード・アーキテクチャでは、命令フェッチとデータ転送を同時に（同時に）実行できることです（システムがデータ転送用と命令フェッチ用の 2 つのバスを備えているため）。

  

  ハーバード・アーキテクチャのメリットとデメリット

  メリット	デメリット
  指示とデータが異なるバスで転送されるため、指示はデータ、データは別のバスで転送されることになります。 このため、データ破損の可能性が低くなります。	それぞれ（データと命令）に専用するメモリは、メーカーがバランスをとる必要があります。 なぜなら、もし空きメモリのデータメモリがあれば、それは命令には使用できず、その逆も然りだからだ
  命令とデータは同じ方法でアクセスできる	しかし、この利点（左）は、2本のバスが必要で、より複雑なアーキテクチャとなる。 ハーバード・アーキテクチャは、データと命令を同時に流すことができるため、高いパフォーマンスを発揮します。 しかし、このアーキテクチャは、高性能であるにもかかわらず、特にメインボード・メーカーにとっては、実装が非常に複雑です
  命令とデータ用に別々のメモリを持つアーキテクチャであるため、より予測可能なメモリバンド幅があります	前述のように、左記のメリットを実現するには、ハーバードアーキテクチャには 2 つのバス用の制御ユニットが必要です。 それが複雑さを増し、開発を難しくしている。

  Modified Harvard Architecture

  Von Neumann Architecture vs. Harvard Architectureの比較。

  〈フォン・ノイマンのアーキテクチャ〉よりシンプルな制御ユニット設計から構成されています。 つまり、複雑な開発が少なくて済むということです。 つまり、システムのコストが低くなる＜4140＞＜6879＞ハーバード・アーキテクチャの制御ユニットは2つのバスで構成されており、その結果、システムがより複雑になっている。 このため、開発コストがかさみ、結果的に高価なシステムとなる

  Von Neumann Architecture	Harvard Architecture
  蓄積プログラム・コンピュータ概念に基づいている	Harvard Mark Iリレーベースのコンピュータモデル
  命令と同じ物理メモリアドレスに使用すること データ	命令とデータに別々のメモリ・アドレスを使用
  プロセッサは命令を実行するのに2クロック・サイクル必要
  プロセッサは命令を完了するのにたった1サイクル必要
  命令フェッチとデータ転送を同時に実行できない	命令フェッチとデータ転送を同時に実行できる
  ノートパソコンで使用されます。 パーソナルコンピュータ、ワークステーション	信号処理およびマイクロコントローラ

  Modified Harvard Architectureの略称。

  純粋なハーバード・アーキテクチャは、ロードと実行されるプログラムを命令メモリに分離するメカニズムを提供しなければならず、したがって、操作されるデータはデータ・メモリに残されるという欠点がある。

  しかし、最近のシステムでは、命令メモリに読み取り専用テクノロジを使用し、同じメモリに読み取り/書き込みテクノロジを使用しています。

  このため、電源が入るとすぐに、あらかじめロードされたプログラムを実行できるようになります。

  ただし、データは未知の状態であるため、プログラムに対して事前に定義された値を提供できません。

  この解決策は、機械語命令を提供して、命令メモリの内容をデータのように読み取ることができ、さらにハードウェア経路を提供することです。

  現在、ハーバード・アーキテクチャのほとんどの採用は修正型であり、これは、データとコードの間の厳格な分離を緩めつつ、オリジナルのハーバード・アーキテクチャの高性能な同時データおよび命令アクセスを維持するためのものです。

  修正ハーバード アーキテクチャに適用される 3 つの主な修正点は、

  • Split-cache architecture:
    • von Neumann architecture に非常に似ており、この修正では、下位階層に命令とデータの CPU キャッシュがあるメモリ階層を構築する。
  • Instruction-memory-as-data architecture:
    • この修正は、命令メモリの内容をデータとしてアクセスすることを可能にする。
    • （これが実際に「修正」ハーバード・アーキテクチャと呼べるかどうかは議論がある）
  • Data-memory-as-instruction architecture:
    • ハーバード・アーキテクチャがプログラムメモリセグメントから取得した命令のみ実行可能なのに対し、任意のメモリセグメントから取得した命令を実行できるようになること。

  概要と事実

  Von Neumann Architecture は、1940 年代に使用されていたプログラム制御のコンピュータから大きく進歩したものです。 このようなコンピュータは、異なる機能セット間でデータや制御信号をルーティングするためにパッチリードやスイッチを挿入することでプログラムされていました。

  一方、今日では、大部分のコンピュータ システムでは、データとプログラム命令の両方について同じメモリを共有しています。

  フォン・ノイマン・アーキテクチャとは何ですか？

  フォン・ノイマン・アーキテクチャとは、データおよびプログラムされた命令を読み書き可能なRAM（Random Access Memory）で保持するものを指します。

  フォン・ノイマン・アーキテクチャの特徴：

  • 中央処理ユニット（CPU）
  • 制御ユニット
  • 演算論理ユニット（ALU）
  • メモリユニット
  • レジスタ.pl>
• プログラムカウンタ（PC）
• アキュムレータ（AC）
• メモリアドレスレジスタ（MAR）
• メモリデータ・レジスタ（MDR）
• 現在の命令レジスタ（CIR）

バス。

• データバス
• アドレスバス
• コントロールバス

入出力

メリット。

• ハーバード・アーキテクチャに比べて安価/複雑
• 効率的

デメリット：

• フォン・ノイマンのボトルネック
• データ損失の可能性が大きい

ハーバード・アーキテクチャとは何か?

• ハーバードアーキテクチャとは、データとコマンド/インストラクションを別々に格納するため、メモリユニットが分割されたコンピュータシステムのことである。

メリット：

• データ破損の可能性が低い
• 高いパフォーマンス
• メモリ帯域が広い

デメリット：。

• 複雑
• 高価

修正ハーバードアーキテクチャ：

修正ハーバードアーキテクチャは、オリジナルのハーバードアーキテクチャを変形させたものです。 しかし、両者の違いは、修正アーキテクチャでは、命令メモリの内容をデータとしてアクセスできることである。

モディファイド・ハーバード・アーキテクチャに適用される主な修正点は次の3つである。

• Split-cache architecture
• Instruction-memory-as-data architecture
• Data-memory-as-Japan!命令アーキテクチャ

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. https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture
6. https://www.geeksforgeeks.org/computer-organization-von-neumann-architecture/
7. https://www.techopedia.com/definition/32480/von-neumann-architecture
8. http://www.computinghistory.org.uk/det/3665/John-von-Neumann/
9. https://www.computerscience.gcse.guru/theory/von-neumann-architecture
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Harvard_architecture
11. https://www.edaboard.com/threads/harvard-vs-modified-harvard-architechture.111764/