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Annuaire d'articles

1. Architecture informatique

2. Architecture de Harvard

3. Architecture Harvard améliorée

4. Architecture Von Neumann

5. Comparaison structurelle

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1. Architecture informatique

L'architecture informatique fait référence à la manière dont un système informatique est organisé et mis en œuvre, y compris ses composants matériels et leurs interrelations. La conception de l'architecture affecte directement les performances, l'efficacité et la flexibilité de l'ordinateur.

L'architecture informatique couvre plusieurs niveaux, depuis le niveau de mise en œuvre matériel le plus bas (tel que le processeur, la mémoire, les périphériques d'entrée et de sortie, etc.) jusqu'au logiciel système de niveau supérieur (tel que le système d'exploitation, le compilateur, etc.). être soigneusement conçu pour répondre à des exigences spécifiques de performances et de fonctionnalités.

En architecture informatique, il existe deux modèles principaux : l’architecture de Von Neumann et l’architecture de Harvard. L'architecture von Neumann est un modèle de conception informatique traditionnel qui utilise un espace mémoire unifié pour stocker les instructions et les données du programme. L'architecture Haval utilise des espaces mémoire séparés pour stocker respectivement les instructions et les données du programme afin d'améliorer les performances du système. Les deux architectures ont leurs propres avantages et inconvénients et sont largement utilisées dans différents scénarios d'application.

2. Architecture de Harvard

L'architecture Harvard signifie que les instructions et les données sont stockées séparément dans différentes mémoires et que le processeur accède respectivement aux instructions et aux données via des bus indépendants. Cette architecture a été utilisée pour la première fois dans l'ordinateur Mark I de l'Université Harvard, d'où son nom.

Caractéristiques：

• Stockage séparé: La mémoire d'instructions et la mémoire de données sont séparées.
• bus indépendant: Le CPU accède à la mémoire d'instructions et à la mémoire de données séparément via des bus indépendants, ce qui signifie que le CPU peut lire les instructions et les données en même temps.
• traitement parallèle: Grâce à l'accès indépendant aux instructions et aux données, le processeur peut traiter l'acquisition d'instructions et les opérations de données en parallèle, améliorant ainsi l'efficacité du traitement.

avantage：

• haute performance: Capable d'accéder aux instructions et aux données en même temps, réduisant le temps d'attente et améliorant la vitesse d'exécution.
• Réduire les conflits: Le stockage séparé des instructions et des données évite les conflits de bus et améliore le débit du système.

défaut：

• Conception complexe: Deux systèmes de mémoire et de bus indépendants sont requis, ce qui augmente la complexité de la conception et de la mise en œuvre.
• moins flexible: L'espace de stockage du programme et des données est fixe et la flexibilité n'est pas aussi bonne que l'architecture von Neumann.

application: L'architecture Haval est largement utilisée dans les processeurs de signaux numériques (DSP), les microcontrôleurs et certains systèmes embarqués, tels que les puces de la série ARM Cortex-M.

3. Architecture Harvard améliorée

• ARM7 et puces précédentes: Utilisant l'architecture von Neumann, les instructions et les données partagent la mémoire et le bus, adaptés aux premières tâches simples de calcul et de contrôle.
• Puces après ARM7: Adopte une architecture Haval améliorée, qui offre une efficacité et des performances de traitement plus élevées en séparant les mémoires d'instructions et de données, et est largement utilisée dans les systèmes embarqués et les microcontrôleurs modernes.

Dans l'architecture Haval améliorée, le système combine les avantages de l'architecture Haval et de l'architecture von Neumann et adopte une méthode de stockage hybride. Cette architecture introduit un cache d'instructions (Instruction Cache) et un cache de données (Data Cache) dans la conception, améliorant ainsi les performances et l'efficacité du processeur.

• CPUconnecté via un bus séparé àCache d'instructionsetCache de données。
• mémoire externe: Les instructions et les données sont mélangées et stockées dans la mémoire externe et chargées dans le cache interne via le mécanisme de mise en cache.
• Accès parallèle: Le processeur peut lire les instructions du cache d'instructions et lire et écrire des données du cache de données en même temps, améliorant ainsi l'efficacité d'exécution.

Caractéristiques

1. Cache d'instructions et cache de données：

   • cache indépendant : Les instructions et les données sont stockées dans des caches séparés. Lorsque le processeur exécute des instructions, il obtient des instructions du cache d'instructions et lit et écrit des données à partir du cache de données.
   • Accès parallèle: Étant donné que les caches d'instructions et de données sont indépendants, le CPU peut accéder aux instructions et aux données en parallèle, améliorant ainsi l'efficacité d'exécution.

2. Stockage hybride de mémoire externe：

   • mémoire unifiée: Dans la mémoire externe, les instructions et les données sont stockées de manière mixte, similaire à l'architecture von Neumann.
   • mécanisme de mise en cache: Le mécanisme de mise en cache permet au processeur de charger des instructions et des données de la mémoire externe unifiée dans des caches d'instructions et des caches de données indépendants.

avantage

1. haute performance：

   • Réduire le temps d'attente: Grâce au cache d'instructions indépendant et au cache de données, le processeur peut obtenir des instructions et des données en même temps, réduisant ainsi le temps d'attente et améliorant la vitesse d'exécution des instructions.
   • Taux de réussite du cache élevé: Grâce à l'introduction du cache, les données et instructions fréquemment consultées peuvent être rapidement lues à partir du cache, améliorant ainsi la vitesse de réponse du système.

2. flexibilité et efficacité：

   • La flexibilité du stockage unifié: La méthode de stockage hybride de la mémoire externe maintient la flexibilité de l'architecture von Neumann, permettant aux programmes et aux données d'allouer dynamiquement de l'espace de stockage.
   • Gestion du cache: Grâce à la gestion du cache, le système peut utiliser efficacement la bande passante mémoire, réduire les conflits de bus et améliorer l'efficacité globale du système.

3. Conception simplifiée：

   • interface mémoire unifiée: Bien que des caches d'instructions et de données indépendants soient utilisés en interne, l'accès à la mémoire externe se fait toujours via une interface unifiée, simplifiant la gestion de la mémoire.

défaut

1. complexité de conception：

   • cohérence du cache: Il est nécessaire d'assurer la cohérence du cache d'instructions et du cache de données, ce qui augmente la complexité de conception et de mise en œuvre.
   • Gestion du cache: L'introduction du cache nécessite des mécanismes complexes de gestion du cache, tels que des stratégies de remplacement du cache, des protocoles de cohérence du cache, etc.

2. Consommation d’énergie accrue：

   • matériel supplémentaire: L'ajout de matériel de cache et de logique de gestion peut entraîner une augmentation de la consommation d'énergie du système, ce qui nécessite une attention particulière dans les applications sensibles à l'énergie.

Zone d'application

L'architecture Haval améliorée est largement utilisée dans les processeurs hautes performances et les systèmes embarqués, en particulier ceux qui nécessitent un traitement efficace des instructions et des données en même temps. Les applications typiques incluent :

• Smartphones et tablettes: Besoin de gérer efficacement des applications multitâches et multimédias complexes.
• Système de contrôle embarqué: Tels que le contrôle industriel, les robots, l'électronique automobile, etc., des scénarios qui nécessitent des performances en temps réel élevées et une grande fiabilité.
• calcul haute performance: Tels que les serveurs et les centres de données, qui nécessitent un débit élevé et des tâches informatiques efficaces.

4. Architecture Von Neumann

L'architecture von Neumann est un modèle de conception informatique proposé par John von Neumann. Elle utilise un espace mémoire unifié pour stocker les instructions et les données du programme, et le processeur accède aux instructions et aux données de manière séquentielle via le même bus.

Caractéristiques：

• Stockage unifié: Les instructions et les données sont stockées dans la même mémoire.
• bus unique: Le CPU accède séquentiellement aux instructions et aux données dans la mémoire via un seul bus.
• exécution séquentielle: Le CPU lit les instructions et les données de la mémoire en séquence et les exécute en séquence.

avantage：

• Conception simple: Mémoire unifiée et système de bus unique, la conception et la mise en œuvre sont relativement simples.
• Grande flexibilité: Les programmes et les données partagent le même espace de stockage et les exigences de stockage peuvent être ajustées de manière dynamique.

défaut：

• Goulot d’étranglement des performances: Étant donné que les instructions et les données sont transmises via le même bus, le CPU ne peut pas lire les instructions et les données en même temps, ce qui peut provoquer un « goulot d'étranglement Von Neumann » et limiter les performances.
• conflit de bus: Les instructions et les données partagent le bus, ce qui peut provoquer des conflits de bus et affecter l'efficacité du système.

application: L'architecture von Neumann est largement utilisée dans les appareils informatiques généraux tels que les ordinateurs personnels, les serveurs et les systèmes embarqués, tels que les premières puces ARM7 d'ARM.

5. Comparaison structurelle

structure de la mémoire

• Architecture Von Neumann：

  • mémoire unifiée: Les instructions et les données du programme sont stockées dans la même mémoire et accessibles à l'aide d'un seul bus mémoire.
  • chemin de données unique: Étant donné que les instructions et les données partagent le même bus, le CPU ne peut effectuer qu'un seul accès à la mémoire (soit en récupérant des instructions, soit en lisant/écrivant des données) par cycle d'horloge.

• Architecture de Harvard：

  • mémoire séparée: Les instructions et les données du programme sont stockées dans différentes mémoires, et des bus mémoire séparés sont utilisés pour accéder respectivement aux instructions et aux données.
  • chemin de données indépendant: Le CPU peut récupérer des instructions de la mémoire d'instructions et lire/écrire des données de la mémoire de données en même temps pour obtenir un accès parallèle.

Performance et efficacité

• Architecture Von Neumann：

  • Goulot d’étranglement des performances: Étant donné que les instructions et les données partagent le même bus mémoire, un « goulot d'étranglement de Von Neumann » est susceptible de se produire, ce qui limite les capacités de traitement parallèle et les performances globales du système.
  • Simple et flexible: La conception et la mise en œuvre sont relativement simples, adaptées à une variété de tâches informatiques générales et offrent une grande flexibilité.

• Architecture de Harvard：

  • haute performance: Étant donné que les instructions et les données sont stockées dans des mémoires différentes, le processeur peut obtenir des instructions et des données en parallèle, améliorant considérablement l'efficacité du traitement.
  • Réduire les conflits: Les bus d'instructions et de données indépendants réduisent les conflits de bus et améliorent le débit du système et l'efficacité d'exécution.

Complexité de conception

• Architecture Von Neumann：

  • Conception simple: Un système de mémoire et de bus unique, relativement simple à concevoir et à mettre en œuvre.
  • Facile à maintenir: En raison de sa structure simple, la maintenance et le débogage du système sont relativement faciles.

• Architecture de Harvard：

  • Conception complexe: Deux systèmes de mémoire et de bus indépendants sont requis, ce qui augmente la complexité de la conception et de la mise en œuvre.
  • Complexe à entretenir: En raison du système de mémoire indépendant, la maintenance et le débogage du système sont relativement complexes.

Zone d'application

• Architecture Von Neumann：

  • appareil informatique général: Largement utilisé dans les ordinateurs personnels, les serveurs et les systèmes embarqués, tels que les processeurs d'architecture x86.
  • premiers microcontrôleurs: Comme certains microcontrôleurs basés sur l'architecture 8051, utilisés pour des tâches de contrôle simples.

• Architecture de Harvard：

  • Systèmes embarqués et microcontrôleurs: Tels que les microcontrôleurs de la série ARM Cortex-M, utilisés pour le contrôle en temps réel et le traitement efficace des données.
  • Processeur de signal numérique (DSP): Comme la série C6000 de TI, utilisée pour le traitement audio, les systèmes de communication et le traitement d'images.

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