Обмен технологиями

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Каталог статей

1. Компьютерная архитектура

2. Гарвардская архитектура

3. Улучшенная архитектура Гарварда

4. Архитектура фон Неймана

5. Структурное сравнение

---

1. Компьютерная архитектура

Компьютерная архитектура — это способ организации и реализации компьютерной системы, включая ее аппаратные компоненты и их взаимосвязи. Проект архитектуры напрямую влияет на производительность, эффективность и гибкость компьютера.

Компьютерная архитектура охватывает несколько уровней: от аппаратной реализации самого низкого уровня (например, процессора, памяти, устройств ввода и вывода и т. д.) до системного программного обеспечения верхнего уровня (например, операционной системы, компилятора и т. д.). быть тщательно спроектированы с учетом конкретных требований к производительности и функциональности.

В компьютерной архитектуре существуют две основные модели: архитектура фон Неймана и архитектура Гарварда. Архитектура фон Неймана — это традиционная модель проектирования компьютеров, в которой для хранения программных инструкций и данных используется единое пространство памяти. Архитектура Haval использует отдельные области памяти для хранения программных инструкций и данных соответственно для повышения производительности системы. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки и широко используются в различных сценариях применения.

2. Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура означает, что инструкции и данные хранятся отдельно в разных запоминающих устройствах, а ЦП получает доступ к инструкциям и данным соответственно через независимые шины. Эта архитектура была впервые использована в компьютере Mark I Гарвардского университета, отсюда и название.

Функции：

• Отдельное хранилище: Память инструкций и память данных разделены.
• независимый автобус: ЦП обращается к памяти инструкций и памяти данных отдельно через независимые шины, что означает, что ЦП может читать инструкции и данные одновременно.
• параллельная обработка: Благодаря независимому доступу к инструкциям и данным ЦП может обрабатывать получение инструкций и операции с данными параллельно, повышая эффективность обработки.

преимущество：

• высокая производительность: возможность одновременного доступа к инструкциям и данным, что сокращает время ожидания и повышает скорость выполнения.
• Уменьшить конфликт: Раздельное хранение инструкций и данных позволяет избежать конфликтов шин и повышает пропускную способность системы.

недостаток：

• Сложная конструкция: Требуются две независимые системы памяти и шин, что увеличивает сложность проектирования и реализации.
• менее гибкий: Пространство для хранения программ и данных фиксировано, а гибкость не так хороша, как у архитектуры фон Неймана.

приложение: Архитектура Haval широко используется в процессорах цифровых сигналов (DSP), микроконтроллерах и некоторых встроенных системах, таких как чипы серии ARM Cortex-M.

3. Улучшенная архитектура Гарварда

• ARM7 и предыдущие чипы: Используя архитектуру фон Неймана, инструкции и данные совместно используют память и шину, что подходит для ранних простых задач вычислений и управления.
• Чипы после ARM7: использует улучшенную архитектуру Haval, которая обеспечивает более высокую эффективность обработки и производительность за счет разделения памяти инструкций и данных и широко используется в современных встроенных системах и микроконтроллерах.

В улучшенной архитектуре Haval система сочетает в себе преимущества архитектуры Haval и архитектуры фон Неймана и использует гибридный метод хранения. Эта архитектура вводит в конструкцию кэш инструкций (кэш инструкций) и кэш данных (кэш данных), тем самым повышая производительность и эффективность процессора.

• Процессорподключен через отдельную шинуКэш инструкцийиКэш данных。
• внешняя память: Инструкции и данные смешиваются, сохраняются во внешней памяти и загружаются во внутренний кэш посредством механизма кэширования.
• Параллельный доступ: ЦП может одновременно считывать инструкции из кэша инструкций, а также читать и записывать данные из кэша данных, что повышает эффективность выполнения.

Функции

1. Кэш инструкций и кеш данных：

   • независимый кэш : Инструкции и данные хранятся в отдельных кэшах. Когда ЦП выполняет инструкции, он получает инструкции из кэша инструкций, а также считывает и записывает данные из кэша данных.
   • Параллельный доступ: Поскольку кэши инструкций и данных независимы, ЦП может получать доступ к инструкциям и данным параллельно, тем самым повышая эффективность выполнения.

2. Гибридное хранилище внешней памяти：

   • единая память: Во внешней памяти инструкции и данные хранятся смешанно, аналогично архитектуре фон Неймана.
   • механизм кэширования: Механизм кэширования позволяет ЦП загружать инструкции и данные из единой внешней памяти в независимые кэши инструкций и кэши данных.

преимущество

1. высокая производительность：

   • Сократите время ожидания: Благодаря независимому кэшу инструкций и кэшу данных ЦП может получать инструкции и данные одновременно, сокращая время ожидания и повышая скорость выполнения инструкций.
   • Высокая скорость попадания в кэш: Благодаря введению кэша часто используемые данные и инструкции можно быстро прочитать из кэша, что повышает скорость отклика системы.

2. гибкость и эффективность：

   • Гибкость унифицированного хранилища: Гибридный метод хранения внешней памяти сохраняет гибкость архитектуры фон Неймана, позволяя программам и данным динамически распределять пространство для хранения.
   • Управление кэшем: Благодаря управлению кэшем система может эффективно использовать пропускную способность памяти, уменьшать конфликты шин и повышать общую эффективность системы.

3. Упрощенная конструкция：

   • унифицированный интерфейс памяти: хотя внутри используются независимые кэши инструкций и данных, доступ к внешней памяти по-прежнему осуществляется через единый интерфейс, что упрощает управление памятью.

недостаток

1. сложность конструкции：

   • согласованность кэша: Необходимо обеспечить согласованность кэша инструкций и кэша данных, что увеличивает сложность проектирования и реализации.
   • Управление кэшем: Внедрение кэша требует сложных механизмов управления кэшем, таких как стратегии замены кэша, протоколы согласованности кэша и т. д.

2. Повышенное энергопотребление：

   • дополнительное оборудование: Добавленное оборудование кэша и логика управления могут привести к увеличению энергопотребления системы, что требует особого внимания в приложениях, чувствительных к энергопотреблению.

Области применения

Улучшенная архитектура Haval широко используется в высокопроизводительных процессорах и встраиваемых системах, особенно в тех, которые требуют одновременной эффективной обработки инструкций и данных. Типичные области применения включают в себя:

• Смартфоны и планшеты: Необходимость эффективной работы с многозадачными и сложными мультимедийными приложениями.
• Встроенная система управления: например, промышленное управление, роботы, автомобильная электроника и т. д., сценарии, требующие высокой производительности в реальном времени и высокой надежности.
• высокопроизводительные вычисления: например, серверы и центры обработки данных, которым требуется высокая пропускная способность и эффективные вычислительные задачи.

4. Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана — это модель проектирования компьютера, предложенная Джоном фон Нейманом. Она использует единое пространство памяти для хранения программных инструкций и данных, а ЦП получает доступ к инструкциям и данным последовательно через одну и ту же шину.

Функции：

• Единое хранилище: Инструкции и данные хранятся в одной памяти.
• одиночный автобус: ЦП последовательно обращается к инструкциям и данным в памяти через одну шину.
• последовательное исполнение: ЦП последовательно считывает инструкции и данные из памяти и последовательно их выполняет.

преимущество：

• Простой дизайн: унифицированная память и система с одной шиной, конструкция и реализация относительно просты.
• Высокая гибкость: Программы и данные используют одно и то же пространство для хранения, а требования к объему памяти можно динамически регулировать.

недостаток：

• Узкое место в производительности: поскольку инструкции и данные передаются по одной и той же шине, ЦП не может одновременно читать инструкции и данные, что может вызвать «узкое место фон Неймана» и ограничить производительность.
• автобусный конфликт: Инструкции и данные совместно используют шину, что может вызвать конфликты шины и повлиять на эффективность системы.

приложение: Архитектура фон Неймана широко используется в вычислительных устройствах общего назначения, таких как персональные компьютеры, серверы и встроенные системы, такие как ранние чипы ARM7 от ARM.

5. Структурное сравнение

структура памяти

• Фон Нейман Архитектура：

  • единая память: Программные инструкции и данные хранятся в одной памяти и доступны через одну шину памяти.
  • единый путь данных: Поскольку инструкции и данные используют одну и ту же шину, ЦП может выполнять только один доступ к памяти (либо выборку инструкций, либо чтение/запись данных) за такт.

• Гарвардская архитектура：

  • отдельная память: Инструкции и данные программы хранятся в разных запоминающих устройствах, а для доступа к инструкциям и данным соответственно используются отдельные шины памяти.
  • независимый путь данных: ЦП может одновременно получать инструкции из памяти инструкций и читать/записывать данные из памяти данных для достижения параллельного доступа.

Производительность и эффективность

• Фон Нейман Архитектура：

  • Узкое место в производительности: поскольку инструкции и данные используют одну и ту же шину памяти, часто возникает «узкое место фон Неймана», которое ограничивает возможности параллельной обработки системы и общую производительность.
  • Простой и гибкий: Конструкция и реализация относительно просты, подходят для множества общих вычислительных задач и обладают высокой гибкостью.

• Гарвардская архитектура：

  • высокая производительность: поскольку инструкции и данные хранятся в разных запоминающих устройствах, ЦП может получать инструкции и данные параллельно, что значительно повышает эффективность обработки.
  • Уменьшить конфликт: Независимые шины инструкций и данных уменьшают конфликты шин и повышают пропускную способность системы и эффективность выполнения.

Сложность конструкции

• Фон Нейман Архитектура：

  • Простой дизайн: единая система памяти и шин, относительно простая в проектировании и реализации.
  • Простота обслуживания: Благодаря простой структуре обслуживание и отладка системы относительно просты.

• Гарвардская архитектура：

  • Сложная конструкция: Требуются две независимые системы памяти и шин, что увеличивает сложность проектирования и реализации.
  • Комплекс в обслуживании: Из-за независимой системы памяти обслуживание и отладка системы относительно сложны.

Области применения

• Фон Нейман Архитектура：

  • общее вычислительное устройство: Широко используется в персональных компьютерах, серверах и встроенных системах, таких как процессоры с архитектурой x86.
  • Ранние микроконтроллеры: Например, некоторые микроконтроллеры на базе архитектуры 8051, используемые для простых задач управления.

• Гарвардская архитектура：

  • Встроенные системы и микроконтроллеры: такие как микроконтроллеры серии ARM Cortex-M, используемые для управления в реальном времени и эффективной обработки данных.
  • Цифровой сигнальный процессор (DSP): Например, серия C6000 компании TI, используемая для обработки звука, систем связи и обработки изображений.

Подведем итог