Teknologian jakaminen

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Artikkelihakemisto

1. Tietokonearkkitehtuuri

2. Harvardin arkkitehtuuri

3. Parannettu Harvardin arkkitehtuuri

4. Von Neumann -arkkitehtuuri

5. Rakennevertailu

---

1. Tietokonearkkitehtuuri

Tietokonearkkitehtuurilla tarkoitetaan tapaa, jolla tietokonejärjestelmä järjestetään ja toteutetaan, mukaan lukien sen laitteistokomponentit ja niiden keskinäiset suhteet. Arkkitehtuurin suunnittelu vaikuttaa suoraan tietokoneen suorituskykyyn, tehokkuuteen ja joustavuuteen.

Tietokonearkkitehtuuri kattaa useita tasoja alimmasta laitteistototeutuksesta (kuten prosessori, muisti, syöttö- ja tulostuslaitteet jne.) ylemmän tason järjestelmäohjelmistoon (kuten käyttöjärjestelmä, kääntäjä jne.). on suunniteltu huolellisesti vastaamaan tiettyjä suorituskyky- ja toiminnallisuusvaatimuksia.

Tietokonearkkitehtuurissa on kaksi päämallia: Von Neumann Architecture ja Harvard Architecture. Von Neumann-arkkitehtuuri on perinteinen tietokonesuunnittelumalli, joka käyttää yhtenäistä muistitilaa ohjelmaohjeiden ja tietojen tallentamiseen. Haval-arkkitehtuuri käyttää erillisiä muistitiloja ohjelman ohjeiden ja tietojen tallentamiseen järjestelmän suorituskyvyn parantamiseksi. Molemmilla arkkitehtuureilla on omat etunsa ja haittansa, ja niitä käytetään laajasti erilaisissa sovellusskenaarioissa.

2. Harvardin arkkitehtuuri

Harvardin arkkitehtuuri tarkoittaa, että ohjeet ja tiedot tallennetaan erikseen eri muisteihin, ja CPU käyttää käskyjä ja tietoja vastaavasti itsenäisten väylien kautta. Tätä arkkitehtuuria käytettiin ensimmäisen kerran Harvardin yliopiston Mark I -tietokoneessa, mistä myös nimi.

ominaisuudet：

• Erillinen säilytystila: Käskymuisti ja datamuisti ovat erillisiä.
• itsenäinen bussi: CPU käyttää käskymuistia ja datamuistia erikseen itsenäisten väylien kautta, mikä tarkoittaa, että CPU voi lukea käskyjä ja tietoja samanaikaisesti.
• rinnakkainen käsittely: Ohjeiden ja tietojen riippumattoman pääsyn ansiosta CPU voi käsitellä käskyjen hankintaa ja datatoimintoja rinnakkain, mikä parantaa käsittelyn tehokkuutta.

etu：

• korkea suorituskyky: Pystyy käyttämään ohjeita ja tietoja samanaikaisesti, mikä vähentää odotusaikaa ja parantaa suoritusnopeutta.
• Vähennä konflikteja: Ohjeiden ja tietojen erillinen tallennus välttää väyläristiriidat ja parantaa järjestelmän suorituskykyä.

puute：

• Monimutkainen muotoilu: Tarvitaan kaksi itsenäistä muisti- ja väyläjärjestelmää, mikä lisää suunnittelun ja toteutuksen monimutkaisuutta.
• vähemmän joustava: Ohjelma- ja tiedontallennustila on kiinteä, eikä joustavuus ole yhtä hyvä kuin von Neumann-arkkitehtuurissa.

sovellus: Haval-arkkitehtuuria käytetään laajalti digitaalisissa signaaliprosessoreissa (DSP), mikro-ohjaimissa ja joissakin sulautetuissa järjestelmissä, kuten ARM Cortex-M -sarjan siruissa.

3. Parannettu Harvardin arkkitehtuuri

• ARM7 ja aiemmat pelimerkit: Käyttämällä von Neumann-arkkitehtuuria, käskyt ja tiedot jakavat muistin ja väylän, mikä sopii varhaisiin yksinkertaisiin laskenta- ja ohjaustehtäviin.
• Sirut ARM7:n jälkeen: Ottaa käyttöön parannetun Haval-arkkitehtuurin, joka tarjoaa paremman käsittelyn tehokkuuden ja suorituskyvyn erottamalla käsky- ja datamuistit, ja jota käytetään laajalti nykyaikaisissa sulautetuissa järjestelmissä ja mikro-ohjaimissa.

Parannetussa Haval-arkkitehtuurissa järjestelmä yhdistää Haval-arkkitehtuurin ja von Neumann-arkkitehtuurin edut ja ottaa käyttöön hybriditallennusmenetelmän. Tämä arkkitehtuuri tuo suunnitteluun käskyvälimuistin (Instruction Cache) ja datavälimuistin (Data Cache), mikä parantaa prosessorin suorituskykyä ja tehokkuutta.

• prosessorikytketty erillisellä väylälläOhjevälimuistijaTietojen välimuisti。
• ulkoinen muisti: Ohjeet ja tiedot sekoitetaan ja tallennetaan ulkoiseen muistiin ja ladataan sisäiseen välimuistiin välimuistimekanismin kautta.
• Rinnakkais pääsy: CPU voi lukea käskyvälimuistista olevia ohjeita ja lukea ja kirjoittaa dataa datavälimuistista samanaikaisesti, mikä parantaa suoritustehokkuutta.

ominaisuudet

1. Ohjevälimuisti ja tietovälimuisti：

   • itsenäinen välimuisti : Ohjeet ja tiedot tallennetaan erillisiin välimuistiin. Kun prosessori suorittaa käskyjä, se saa ohjeet käskyvälimuistista ja lukee ja kirjoittaa dataa datavälimuistista.
   • Rinnakkais pääsy: Koska käsky- ja datavälimuistit ovat riippumattomia, CPU voi käyttää käskyjä ja tietoja rinnakkain, mikä parantaa suoritustehokkuutta.

2. Ulkoisen muistin hybriditallennus：

   • yhtenäinen muisti: Ulkoiseen muistiin käskyt ja tiedot tallennetaan sekaisin, kuten von Neumann -arkkitehtuuri.
   • välimuistimekanismi: Välimuistimekanismin avulla CPU voi ladata ohjeita ja tietoja yhdistetystä ulkoisesta muistista itsenäisiin käskyvälimuistiin ja datavälimuistiin.

etu

1. korkea suorituskyky：

   • Vähennä odotusaikaa: Riippumattoman käskyvälimuistin ja datavälimuistin avulla suoritin voi saada ohjeita ja tietoja samanaikaisesti, mikä vähentää odotusaikaa ja parantaa käskyjen suoritusnopeutta.
   • Korkea välimuistin osumaprosentti: Välimuistin käyttöönoton ansiosta usein käytetyt tiedot ja ohjeet voidaan lukea nopeasti välimuistista, mikä parantaa järjestelmän vastausnopeutta.

2. joustavuutta ja tehokkuutta：

   • Yhtenäisen varastoinnin joustavuus: Ulkoisen muistin hybriditallennusmenetelmä säilyttää von Neumann -arkkitehtuurin joustavuuden, jolloin ohjelmat ja tiedot voivat varata tallennustilaa dynaamisesti.
   • Välimuistin hallinta: Välimuistin hallinnan avulla järjestelmä voi hyödyntää tehokkaasti muistin kaistanleveyttä, vähentää väyläkonflikteja ja parantaa järjestelmän yleistä tehokkuutta.

3. Yksinkertaistettu muotoilu：

   • yhtenäinen muistiliitäntä: Vaikka sisäisesti käytetään riippumattomia käsky- ja datavälimuistia, pääsy ulkoiseen muistiin tapahtuu edelleen yhtenäisen käyttöliittymän kautta, mikä yksinkertaistaa muistin hallintaa.

puute

1. suunnittelun monimutkaisuus：

   • välimuistin johdonmukaisuus: On tarpeen varmistaa käskyvälimuistin ja datavälimuistin johdonmukaisuus, mikä lisää suunnittelun ja toteutuksen monimutkaisuutta.
   • Välimuistin hallinta: Välimuistin käyttöönotto vaatii monimutkaisia ​​välimuistin hallintamekanismeja, kuten välimuistin korvausstrategioita, välimuistin johdonmukaisuusprotokollia jne.

2. Lisääntynyt virrankulutus：

   • lisälaitteistoa: Lisätty välimuistilaitteisto ja hallintalogiikka voivat lisätä järjestelmän virrankulutusta, mikä vaatii erityistä huomiota tehoherkissä sovelluksissa.

Sovellusalueet

Parannettua Haval-arkkitehtuuria käytetään laajalti korkean suorituskyvyn prosessoreissa ja sulautetuissa järjestelmissä, erityisesti niissä, jotka vaativat tehokasta käskyjen ja tietojen käsittelyä samanaikaisesti. Tyypillisiä sovelluksia ovat:

• Älypuhelimet ja tabletit: Tarve käsitellä tehokkaasti moniajo- ja monimutkaisia ​​multimediasovelluksia.
• Sisäänrakennettu ohjausjärjestelmä: Kuten teollisuusohjaus, robotit, autoelektroniikka jne., skenaariot, jotka vaativat suurta reaaliaikaista suorituskykyä ja korkeaa luotettavuutta.
• korkean suorituskyvyn laskenta: Kuten palvelimet ja datakeskukset, jotka vaativat suurta suorituskykyä ja tehokkaita laskentatehtäviä.

4. Von Neumann -arkkitehtuuri

Von Neumannin arkkitehtuuri on John von Neumannin ehdottama tietokonesuunnittelumalli. Se käyttää yhtenäistä muistitilaa ohjelman ohjeiden ja tietojen tallentamiseen, ja CPU käyttää ohjeita ja tietoja peräkkäin saman väylän kautta.

ominaisuudet：

• Yhtenäinen tallennustila: Ohjeet ja tiedot tallennetaan samaan muistiin.
• yksi bussi: CPU käyttää peräkkäin ohjeita ja muistissa olevia tietoja yhden väylän kautta.
• peräkkäinen suoritus: CPU lukee käskyt ja tiedot muistista järjestyksessä ja suorittaa ne järjestyksessä.

etu：

• Yksinkertainen muotoilu: Yhtenäinen muisti ja yksi väyläjärjestelmä, suunnittelu ja toteutus ovat suhteellisen yksinkertaisia.
• Korkea joustavuus: Ohjelmat ja tiedot jakavat saman tallennustilan, ja tallennusvaatimuksia voidaan säätää dynaamisesti.

puute：

• Suorituskyvyn pullonkaula: Koska ohjeet ja tiedot välitetään saman väylän kautta, CPU ei voi lukea ohjeita ja tietoja samanaikaisesti, mikä voi aiheuttaa "Von Neumannin pullonkaulan" ja rajoittaa suorituskykyä.
• bussikonflikti: Ohjeet ja tiedot jakavat väylän, mikä voi aiheuttaa väyläkonflikteja ja vaikuttaa järjestelmän tehokkuuteen.

sovellus: Neumann-arkkitehtuuria käytetään laajalti yleisissä tietokoneissa, kuten henkilökohtaisissa tietokoneissa, palvelimissa ja sulautetuissa järjestelmissä, kuten ARM:n varhaisissa ARM7-siruissa.

5. Rakennevertailu

muistin rakenne

• Von Neumannin arkkitehtuuri：

  • yhtenäinen muisti: Ohjelmaohjeet ja tiedot tallennetaan samaan muistiin ja niitä käytetään yhdellä muistiväylällä.
  • yksittäinen tietopolku: Koska käskyt ja tiedot jakavat saman väylän, CPU voi suorittaa vain yhden muistin käytön (joko ohjeiden noudon tai tietojen lukemisen/kirjoituksen) kellojaksoa kohden.

• Harvardin arkkitehtuuri：

  • erillinen muisti: Ohjelmaohjeet ja tiedot tallennetaan eri muisteihin, ja erillisiä muistiväyliä käytetään ohjeiden ja tietojen käsittelyyn.
  • riippumaton tietopolku: CPU voi noutaa ohjeita käskymuistista ja lukea/kirjoittaa dataa datamuistista samanaikaisesti saavuttaakseen rinnakkaiskäytön.

Suorituskykyä ja tehokkuutta

• Von Neumannin arkkitehtuuri：

  • Suorituskyvyn pullonkaula: Koska käskyt ja tiedot jakavat saman muistiväylän, "Von Neumannin pullonkaula" on altis syntyä, mikä rajoittaa järjestelmän rinnakkaista käsittelyä ja yleistä suorituskykyä.
  • Yksinkertainen ja joustava: Suunnittelu ja toteutus ovat suhteellisen yksinkertaisia, sopivat useisiin yleisiin laskentatehtäviin ja ovat erittäin joustavia.

• Harvardin arkkitehtuuri：

  • korkea suorituskyky: Koska ohjeet ja tiedot on tallennettu eri muisteihin, CPU voi vastaanottaa ohjeita ja tietoja rinnakkain, mikä parantaa huomattavasti käsittelyn tehokkuutta.
  • Vähennä konflikteja: Riippumattomat käsky- ja tietoväylät vähentävät väyläkonflikteja ja parantavat järjestelmän suorituskykyä ja suoritustehokkuutta.

Suunnittelun monimutkaisuus

• Von Neumannin arkkitehtuuri：

  • Yksinkertainen muotoilu: Yksi muisti- ja väyläjärjestelmä, suhteellisen helppo suunnitella ja toteuttaa.
  • Helppo huoltaa: Yksinkertaisen rakenteensa ansiosta järjestelmän ylläpito ja virheenkorjaus ovat suhteellisen helppoja.

• Harvardin arkkitehtuuri：

  • Monimutkainen muotoilu: Tarvitaan kaksi itsenäistä muisti- ja väyläjärjestelmää, mikä lisää suunnittelun ja toteutuksen monimutkaisuutta.
  • Monimutkainen ylläpitää: Riippumattoman muistijärjestelmän ansiosta järjestelmän ylläpito ja virheenkorjaus ovat suhteellisen monimutkaisia.

Sovellusalueet

• Von Neumannin arkkitehtuuri：

  • yleinen tietokonelaite: Käytetään laajasti henkilökohtaisissa tietokoneissa, palvelimissa ja sulautetuissa järjestelmissä, kuten x86-arkkitehtuuriprosessoreissa.
  • varhaiset mikro-ohjaimet: Esimerkiksi jotkin 8051-arkkitehtuuriin perustuvat mikro-ohjaimet, joita käytetään yksinkertaisiin ohjaustehtäviin.

• Harvardin arkkitehtuuri：

  • Sulautetut järjestelmät ja mikro-ohjaimet: Kuten ARM Cortex-M-sarjan mikro-ohjaimet, joita käytetään reaaliaikaiseen ohjaukseen ja tehokkaaseen tietojenkäsittelyyn.
  • Digitaalinen signaaliprosessori (DSP): Kuten TI:n C6000-sarja, jota käytetään äänenkäsittelyyn, viestintäjärjestelmiin ja kuvankäsittelyyn.

Tee yhteenveto