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Elenco degli articoli

1. Architettura del calcolatore

2. Architettura di Harvard

3. Architettura di Harvard migliorata

4. Architettura di Von Neumann

5. Confronto strutturale

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1. Architettura del calcolatore

L'architettura informatica si riferisce al modo in cui un sistema informatico è organizzato e implementato, compresi i suoi componenti hardware e le loro interrelazioni. Il design dell'architettura influisce direttamente sulle prestazioni, sull'efficienza e sulla flessibilità del computer.

L'architettura del computer copre più livelli, dall'implementazione hardware di livello più basso (come processore, memoria, dispositivi di input e output, ecc.) al software di sistema di livello superiore (come sistema operativo, compilatore, ecc. Ciascun livello deve farlo). essere attentamente progettato per soddisfare specifici requisiti di prestazioni e funzionalità.

Nell'architettura dei computer esistono due modelli principali: l'architettura di Von Neumann e l'architettura di Harvard. L'architettura von Neumann è un modello di progettazione tradizionale del computer che utilizza uno spazio di memoria unificato per archiviare istruzioni e dati del programma. L'architettura Haval utilizza spazi di memoria separati per memorizzare rispettivamente istruzioni e dati del programma per migliorare le prestazioni del sistema. Entrambe le architetture presentano vantaggi e svantaggi e sono ampiamente utilizzate in diversi scenari applicativi.

2. Architettura di Harvard

L'architettura Harvard significa che le istruzioni e i dati sono archiviati separatamente in memorie diverse e la CPU accede rispettivamente alle istruzioni e ai dati tramite bus indipendenti. Questa architettura è stata utilizzata per la prima volta nel computer Mark I dell'Università di Harvard, da cui il nome.

Caratteristiche：

• Deposito separato: La memoria delle istruzioni e la memoria dei dati sono separate.
• autobus indipendente: La CPU accede alla memoria istruzioni e alla memoria dati separatamente tramite bus indipendenti, il che significa che la CPU può leggere istruzioni e dati contemporaneamente.
• elaborazione parallela: Grazie all'accesso indipendente alle istruzioni e ai dati, la CPU può elaborare l'acquisizione delle istruzioni e le operazioni sui dati in parallelo, migliorando l'efficienza dell'elaborazione.

vantaggio：

• alte prestazioni: In grado di accedere a istruzioni e dati contemporaneamente, riducendo i tempi di attesa e migliorando la velocità di esecuzione.
• Ridurre il conflitto: La memorizzazione separata di istruzioni e dati evita conflitti di bus e migliora la produttività del sistema.

discordanza：

• Progettazione complessa: Sono necessari due sistemi di memoria e bus indipendenti, il che aumenta la complessità della progettazione e dell'implementazione.
• meno flessibile: Lo spazio di archiviazione del programma e dei dati è fisso e la flessibilità non è buona come l'architettura von Neumann.

applicazione: L'architettura Haval è ampiamente utilizzata nei processori di segnale digitale (DSP), nei microcontrollori e in alcuni sistemi embedded, come i chip della serie ARM Cortex-M.

3. Architettura di Harvard migliorata

• ARM7 e chip precedenti: Utilizzando l'architettura von Neumann, istruzioni e dati condividono memoria e bus, adatti per compiti di calcolo e controllo semplici e iniziali.
• Chip dopo ARM7: Adotta un'architettura Haval migliorata, che fornisce efficienza di elaborazione e prestazioni più elevate separando le memorie di istruzioni e dati ed è ampiamente utilizzata nei moderni sistemi embedded e microcontrollori.

Nell'architettura Haval migliorata, il sistema combina i vantaggi dell'architettura Haval e dell'architettura von Neumann e adotta un metodo di archiviazione ibrido. Questa architettura introduce nel progetto una cache di istruzioni (Instruction Cache) e una cache di dati (Data Cache), migliorando così le prestazioni e l'efficienza del processore.

• processorecollegato tramite un bus separato aCache delle istruzioniECache dati。
• memoria esterna: Le istruzioni e i dati vengono mescolati e archiviati nella memoria esterna e caricati nella cache interna tramite il meccanismo di caching.
• Accesso parallelo: La CPU può leggere istruzioni dalla cache delle istruzioni e leggere e scrivere dati dalla cache dati allo stesso tempo, migliorando l'efficienza di esecuzione.

Caratteristiche

1. Cache istruzioni e cache dati：

   • cache indipendente : Le istruzioni e i dati vengono archiviati in cache separate. Quando la CPU esegue le istruzioni, ottiene istruzioni dalla cache delle istruzioni e legge e scrive i dati dalla cache dei dati.
   • Accesso parallelo: Poiché le cache delle istruzioni e dei dati sono indipendenti, la CPU può accedere alle istruzioni e ai dati in parallelo, migliorando così l'efficienza di esecuzione.

2. Archiviazione ibrida di memoria esterna：

   • memoria unificata: Nella memoria esterna, istruzioni e dati vengono archiviati mista, in modo simile all'architettura von Neumann.
   • meccanismo di memorizzazione nella cache: Il meccanismo di memorizzazione nella cache consente alla CPU di caricare istruzioni e dati dalla memoria esterna unificata in cache di istruzioni e cache di dati indipendenti.

vantaggio

1. alte prestazioni：

   • Riduci i tempi di attesa: Attraverso la cache delle istruzioni e la cache dei dati indipendenti, la CPU può ottenere istruzioni e dati contemporaneamente, riducendo i tempi di attesa e migliorando la velocità di esecuzione delle istruzioni.
   • Tasso di riscontri nella cache elevato: Grazie all'introduzione della cache, i dati e le istruzioni a cui si accede frequentemente possono essere letti rapidamente dalla cache, migliorando la velocità di risposta del sistema.

2. flessibilità ed efficienza：

   • La flessibilità dello storage unificato: Il metodo di archiviazione ibrido della memoria esterna mantiene la flessibilità dell'architettura von Neumann, consentendo a programmi e dati di allocare dinamicamente lo spazio di archiviazione.
   • Gestione della cache: Attraverso la gestione della cache, il sistema può utilizzare in modo efficace la larghezza di banda della memoria, ridurre i conflitti del bus e migliorare l'efficienza complessiva del sistema.

3. Progettazione semplificata：

   • interfaccia di memoria unificata: Sebbene internamente vengano utilizzate istruzioni e cache di dati indipendenti, l'accesso alla memoria esterna avviene ancora tramite un'interfaccia unificata, semplificando la gestione della memoria.

discordanza

1. complessità progettuale：

   • consistenza della cache: È necessario garantire la coerenza della cache delle istruzioni e della cache dei dati, il che aumenta la complessità della progettazione e dell'implementazione.
   • Gestione della cache: L'introduzione della cache richiede meccanismi complessi di gestione della cache, come strategie di sostituzione della cache, protocolli di coerenza della cache, ecc.

2. Aumento del consumo energetico：

   • hardware aggiuntivo: L'aggiunta dell'hardware della cache e della logica di gestione può comportare un aumento del consumo energetico del sistema, che richiede una considerazione speciale nelle applicazioni sensibili al consumo energetico.

Aree di applicazione

L'architettura Haval migliorata è ampiamente utilizzata nei processori ad alte prestazioni e nei sistemi embedded, in particolare quelli che richiedono un'elaborazione efficiente di istruzioni e dati allo stesso tempo. Le applicazioni tipiche includono:

• Smartphone e Tablet: Necessità di gestire in modo efficiente il multitasking e applicazioni multimediali complesse.
• Sistema di controllo integrato: come controllo industriale, robot, elettronica automobilistica, ecc., scenari che richiedono elevate prestazioni in tempo reale ed elevata affidabilità.
• calcolo ad alte prestazioni: Come server e data center, che richiedono un throughput elevato e attività di elaborazione efficienti.

4. Architettura di Von Neumann

L'architettura von Neumann è un modello di progettazione del computer proposto da John von Neumann. Utilizza uno spazio di memoria unificato per archiviare istruzioni e dati del programma e la CPU accede a istruzioni e dati in sequenza attraverso lo stesso bus.

Caratteristiche：

• Archiviazione unificata: Le istruzioni e i dati vengono archiviati nella stessa memoria.
• unico autobus: La CPU accede sequenzialmente alle istruzioni e ai dati nella memoria attraverso un singolo bus.
• esecuzione sequenziale: La CPU legge istruzioni e dati dalla memoria in sequenza e li esegue in sequenza.

vantaggio：

• Design semplice: Memoria unificata e sistema a bus singolo, la progettazione e l'implementazione sono relativamente semplici.
• Elevata flessibilità: programmi e dati condividono lo stesso spazio di archiviazione e i requisiti di archiviazione possono essere regolati dinamicamente.

discordanza：

• Collo di bottiglia delle prestazioni: Poiché istruzioni e dati vengono trasmessi attraverso lo stesso bus, la CPU non può leggere istruzioni e dati contemporaneamente, il che potrebbe causare un "collo di bottiglia di Von Neumann" e limitare le prestazioni.
• conflitto sugli autobus: istruzioni e dati condividono il bus, il che potrebbe causare conflitti di bus e influire sull'efficienza del sistema.

applicazione: L'architettura von Neumann è ampiamente utilizzata nei dispositivi informatici generali come personal computer, server e sistemi embedded, come i primi chip ARM7 di ARM.

5. Confronto strutturale

struttura della memoria

• Architettura di Von Neumann：

  • memoria unificata: Le istruzioni e i dati del programma vengono archiviati nella stessa memoria e vi si accede utilizzando un singolo bus di memoria.
  • unico percorso dati: Poiché istruzioni e dati condividono lo stesso bus, la CPU può eseguire un solo accesso alla memoria (recupero di istruzioni o lettura/scrittura di dati) per ciclo di clock.

• Architettura di Harvard：

  • memoria separata: Le istruzioni e i dati del programma vengono archiviati in memorie diverse e vengono utilizzati bus di memoria separati per accedere rispettivamente alle istruzioni e ai dati.
  • percorso dati indipendente: La CPU può recuperare istruzioni dalla memoria istruzioni e leggere/scrivere dati dalla memoria dati contemporaneamente per ottenere l'accesso parallelo.

Prestazioni ed efficienza

• Architettura di Von Neumann：

  • Collo di bottiglia delle prestazioni: Poiché istruzioni e dati condividono lo stesso bus di memoria, è probabile che si verifichi il "collo di bottiglia di Von Neumann", che limita le capacità di elaborazione parallela del sistema e le prestazioni complessive.
  • Semplice e flessibile: La progettazione e l'implementazione sono relativamente semplici, adatte a una varietà di attività informatiche generali e presentano un'elevata flessibilità.

• Architettura di Harvard：

  • alte prestazioni: Poiché le istruzioni e i dati sono archiviati in memorie diverse, la CPU può ottenere istruzioni e dati in parallelo, migliorando notevolmente l'efficienza dell'elaborazione.
  • Ridurre il conflitto: I bus dati e istruzioni indipendenti riducono i conflitti del bus e migliorano il throughput del sistema e l'efficienza di esecuzione.

Complessità progettuale

• Architettura di Von Neumann：

  • Design semplice: Un unico sistema di memoria e bus, relativamente semplice da progettare e implementare.
  • Facile da mantenere: Grazie alla sua struttura semplice, la manutenzione e il debug del sistema sono relativamente facili.

• Architettura di Harvard：

  • Progettazione complessa: Sono necessari due sistemi di memoria e bus indipendenti, il che aumenta la complessità della progettazione e dell'implementazione.
  • Complesso da mantenere: A causa del sistema di memoria indipendente, la manutenzione e il debug del sistema sono relativamente complessi.

Aree di applicazione

• Architettura di Von Neumann：

  • dispositivo informatico generale: Ampiamente utilizzato in personal computer, server e sistemi embedded, come i processori con architettura x86.
  • i primi microcontrollori: Come alcuni microcontrollori basati sull'architettura 8051, utilizzati per compiti di controllo semplici.

• Architettura di Harvard：

  • Sistemi Embedded e Microcontrollori: Come i microcontrollori della serie ARM Cortex-M, utilizzati per il controllo in tempo reale e l'elaborazione efficiente dei dati.
  • Processore di segnale digitale (DSP): Come la serie C6000 di TI, utilizzata per l'elaborazione audio, i sistemi di comunicazione e l'elaborazione delle immagini.

Riassumere