Berbagi teknologi

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Direktori artikel

1. Arsitektur Komputer

2. Arsitektur Harvard

3. Peningkatan arsitektur Harvard

4. Arsitektur Von Neumann

5. Perbandingan struktural

---

1. Arsitektur Komputer

Arsitektur komputer mengacu pada cara sistem komputer diatur dan diimplementasikan, termasuk komponen perangkat kerasnya dan keterkaitannya. Desain arsitektur secara langsung mempengaruhi kinerja, efisiensi dan fleksibilitas komputer.

Arsitektur komputer mencakup berbagai tingkatan, dari implementasi perangkat keras tingkat terendah (seperti prosesor, memori, perangkat input dan output, dll.) hingga perangkat lunak sistem tingkat atas (seperti sistem operasi, kompiler, dll.). dirancang dengan cermat untuk Memenuhi persyaratan kinerja dan fungsionalitas tertentu.

Dalam arsitektur komputer, ada dua model utama: Arsitektur Von Neumann dan Arsitektur Harvard. Arsitektur von Neumann adalah model desain komputer tradisional yang menggunakan ruang memori terpadu untuk menyimpan instruksi program dan data. Arsitektur Haval menggunakan ruang memori terpisah untuk menyimpan instruksi program dan data masing-masing guna meningkatkan kinerja sistem. Kedua arsitektur tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing dan banyak digunakan dalam skenario aplikasi yang berbeda.

2. Arsitektur Harvard

Arsitektur Harvard berarti bahwa instruksi dan data disimpan secara terpisah dalam memori yang berbeda, dan CPU mengakses instruksi dan data masing-masing melalui bus independen. Arsitektur ini pertama kali digunakan di komputer Mark I Universitas Harvard, itulah namanya.

Fitur：

• Penyimpanan terpisah: Memori instruksi dan memori data terpisah.
• bus mandiri: CPU mengakses memori instruksi dan memori data secara terpisah melalui bus independen, yang berarti CPU dapat membaca instruksi dan data secara bersamaan.
• proses paralel: Karena akses independen terhadap instruksi dan data, CPU dapat memproses akuisisi instruksi dan operasi data secara paralel, sehingga meningkatkan efisiensi pemrosesan.

keuntungan：

• kinerja tinggi: Mampu mengakses instruksi dan data secara bersamaan, mengurangi waktu tunggu dan meningkatkan kecepatan eksekusi.
• Mengurangi konflik: Penyimpanan instruksi dan data yang terpisah menghindari konflik bus dan meningkatkan throughput sistem.

kekurangan：

• Desain yang rumit: Diperlukan dua sistem memori dan bus independen, sehingga meningkatkan kompleksitas desain dan implementasi.
• kurang fleksibel: Program dan ruang penyimpanan data bersifat tetap, dan fleksibilitasnya tidak sebaik arsitektur von Neumann.

aplikasi: Arsitektur Haval banyak digunakan pada pemroses sinyal digital (DSP), mikrokontroler, dan beberapa sistem tertanam, seperti chip seri ARM Cortex-M.

3. Peningkatan arsitektur Harvard

• ARM7 dan chip sebelumnya: Menggunakan arsitektur von Neumann, instruksi dan memori dan bus berbagi data, cocok untuk tugas komputasi dan kontrol awal yang sederhana.
• Chip setelah ARM7: Mengadopsi arsitektur Haval yang ditingkatkan, yang memberikan efisiensi dan kinerja pemrosesan lebih tinggi dengan memisahkan memori instruksi dan data, dan banyak digunakan dalam sistem tertanam modern dan mikrokontroler.

Dalam arsitektur Haval yang ditingkatkan, sistem ini menggabungkan keunggulan arsitektur Haval dan arsitektur von Neumann serta mengadopsi metode penyimpanan hibrid. Arsitektur ini memperkenalkan cache instruksi (Instruction Cache) dan cache data (Data Cache) ke dalam desain, sehingga meningkatkan kinerja dan efisiensi prosesor.

• prosesorterhubung melalui bus terpisah keCache InstruksiDanTembolok Data。
• memori eksternal: Instruksi dan data dicampur dan disimpan dalam memori eksternal dan dimuat ke dalam cache internal melalui mekanisme caching.
• Akses paralel: CPU dapat membaca instruksi dari cache instruksi dan membaca serta menulis data dari cache data pada saat yang bersamaan, sehingga meningkatkan efisiensi eksekusi.

Fitur

1. Cache Instruksi dan Cache Data：

   • cache independen : Instruksi dan data disimpan dalam cache terpisah. Ketika CPU menjalankan instruksi, ia memperoleh instruksi dari cache instruksi dan membaca serta menulis data dari cache data.
   • Akses paralel: Karena instruksi dan cache data bersifat independen, CPU dapat mengakses instruksi dan data secara paralel, sehingga meningkatkan efisiensi eksekusi.

2. Penyimpanan hybrid memori eksternal：

   • memori terpadu: Dalam memori eksternal, instruksi dan data disimpan secara campuran, mirip dengan arsitektur von Neumann.
   • mekanisme cache: Mekanisme caching memungkinkan CPU memuat instruksi dan data dari memori eksternal terpadu ke dalam cache instruksi dan cache data independen.

keuntungan

1. kinerja tinggi：

   • Kurangi waktu tunggu: Melalui cache instruksi dan cache data independen, CPU dapat memperoleh instruksi dan data secara bersamaan, mengurangi waktu tunggu dan meningkatkan kecepatan eksekusi instruksi.
   • Tingkat cache hit yang tinggi: Karena diperkenalkannya cache, data dan instruksi yang sering diakses dapat dibaca dengan cepat dari cache, sehingga meningkatkan kecepatan respons sistem.

2. fleksibilitas dan efisiensi：

   • Fleksibilitas penyimpanan terpadu: Metode penyimpanan hibrid memori eksternal mempertahankan fleksibilitas arsitektur von Neumann, memungkinkan program dan data mengalokasikan ruang penyimpanan secara dinamis.
   • Manajemen cache: Melalui manajemen cache, sistem dapat memanfaatkan bandwidth memori secara efektif, mengurangi konflik bus, dan meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.

3. Desain yang disederhanakan：

   • antarmuka memori terpadu: Meskipun instruksi independen dan cache data digunakan secara internal, akses ke memori eksternal masih melalui antarmuka terpadu, sehingga menyederhanakan manajemen memori.

kekurangan

1. kompleksitas desain：

   • konsistensi cache: Penting untuk memastikan konsistensi cache instruksi dan cache data, yang meningkatkan kompleksitas desain dan implementasi.
   • Manajemen cache: Pengenalan cache memerlukan mekanisme manajemen cache yang kompleks, seperti strategi penggantian cache, protokol konsistensi cache, dll.

2. Peningkatan konsumsi daya：

   • perangkat keras tambahan: Penambahan perangkat keras cache dan logika manajemen dapat mengakibatkan peningkatan konsumsi daya sistem, yang memerlukan pertimbangan khusus dalam aplikasi yang sensitif terhadap daya.

Area aplikasi

Arsitektur Haval yang ditingkatkan banyak digunakan pada prosesor berkinerja tinggi dan sistem tertanam, terutama yang memerlukan pemrosesan instruksi dan data yang efisien pada saat yang bersamaan. Aplikasi yang umum meliputi:

• Ponsel Pintar dan Gawai: Perlu menangani aplikasi multitasking dan multimedia yang kompleks secara efisien.
• Sistem kontrol tertanam: Seperti skenario kontrol industri, robot, elektronik otomotif, dll., yang memerlukan kinerja real-time tinggi dan keandalan tinggi.
• komputasi kinerja tinggi: Seperti server dan pusat data, yang memerlukan throughput tinggi dan tugas komputasi yang efisien.

4. Arsitektur Von Neumann

Arsitektur von Neumann adalah model desain komputer yang diusulkan oleh John von Neumann. Ia menggunakan ruang memori terpadu untuk menyimpan instruksi program dan data, dan CPU mengakses instruksi dan data secara berurutan melalui bus yang sama.

Fitur：

• Penyimpanan terpadu: Instruksi dan data disimpan dalam memori yang sama.
• bus tunggal: CPU secara berurutan mengakses instruksi dan data dalam memori melalui satu bus.
• eksekusi berurutan: CPU membaca instruksi dan data dari memori secara berurutan dan mengeksekusinya secara berurutan.

keuntungan：

• Desain sederhana: Memori terpadu dan sistem bus tunggal, desain dan implementasinya relatif sederhana.
• Fleksibilitas tinggi: Program dan data berbagi ruang penyimpanan yang sama, dan kebutuhan penyimpanan dapat disesuaikan secara dinamis.

kekurangan：

• Kemacetan kinerja: Karena instruksi dan data dikirimkan melalui bus yang sama, CPU tidak dapat membaca instruksi dan data secara bersamaan, yang dapat menyebabkan "kemacetan Von Neumann" dan membatasi kinerja.
• konflik bus: Instruksi dan data berbagi bus, yang dapat menyebabkan konflik bus dan mempengaruhi efisiensi sistem.

aplikasi: Arsitektur von Neumann banyak digunakan pada perangkat komputasi umum seperti komputer pribadi, server, dan sistem tertanam, seperti chip ARM7 awal ARM.

5. Perbandingan struktural

struktur memori

• Arsitektur Von Neumann：

  • memori terpadu: Instruksi program dan data disimpan dalam memori yang sama dan diakses menggunakan bus memori tunggal.
  • jalur data tunggal: Karena instruksi dan data berbagi bus yang sama, CPU hanya dapat melakukan satu akses memori (baik mengambil instruksi atau membaca/menulis data) per siklus jam.

• Arsitektur Harvard：

  • memori terpisah: Instruksi program dan data disimpan dalam memori yang berbeda, dan bus memori terpisah digunakan untuk mengakses instruksi dan data masing-masing.
  • jalur data independen: CPU dapat mengambil instruksi dari memori instruksi dan membaca/menulis data dari memori data secara bersamaan untuk mencapai akses paralel.

Kinerja dan efisiensi

• Arsitektur Von Neumann：

  • Kemacetan kinerja: Karena instruksi dan data berbagi bus memori yang sama, "kemacetan Von Neumann" rentan terjadi, yang membatasi kemampuan pemrosesan paralel sistem dan kinerja keseluruhan.
  • Sederhana dan fleksibel: Desain dan implementasinya relatif sederhana, cocok untuk berbagai tugas komputasi umum, dan memiliki fleksibilitas tinggi.

• Arsitektur Harvard：

  • kinerja tinggi: Karena instruksi dan data disimpan dalam memori yang berbeda, CPU dapat memperoleh instruksi dan data secara paralel, sehingga sangat meningkatkan efisiensi pemrosesan.
  • Mengurangi konflik: Instruksi independen dan bus data mengurangi konflik bus dan meningkatkan throughput sistem dan efisiensi eksekusi.

Kompleksitas desain

• Arsitektur Von Neumann：

  • Desain sederhana: Sistem memori dan bus tunggal, relatif sederhana untuk dirancang dan diimplementasikan.
  • Mudah dirawat: Karena strukturnya yang sederhana, pemeliharaan dan debugging sistem relatif mudah.

• Arsitektur Harvard：

  • Desain yang rumit: Diperlukan dua sistem memori dan bus independen, sehingga meningkatkan kompleksitas desain dan implementasi.
  • Kompleks untuk dipelihara: Karena sistem memori independen, pemeliharaan dan debugging sistem relatif rumit.

Area aplikasi

• Arsitektur Von Neumann：

  • perangkat komputasi umum: Banyak digunakan di komputer pribadi, server, dan sistem tertanam, seperti prosesor arsitektur x86.
  • Mikrokontroler awal: Seperti beberapa mikrokontroler berdasarkan arsitektur 8051, digunakan untuk tugas kontrol sederhana.

• Arsitektur Harvard：

  • Sistem Tertanam dan Mikrokontroler: Seperti mikrokontroler seri ARM Cortex-M, digunakan untuk kontrol waktu nyata dan pemrosesan data yang efisien.
  • Prosesor Sinyal Digital (DSP): Seperti seri C6000 TI, digunakan untuk pemrosesan audio, sistem komunikasi, dan pemrosesan gambar.

Meringkaskan