Компьютер имеет отдельную память для инструкций и отдельную память для данных в архитектуре
Обновлено: 21.11.2024
48 модулей, охватывающих ВСЕ темы компьютерных наук, необходимые для уровня KS3.
Выпускной экзамен по информатике
45 модулей, охватывающих ВСЕ темы информатики, необходимые для уровня GCSE.
Информатика уровня A
66 модулей, охватывающих ВСЕ темы компьютерных наук, необходимые для A-Level.
Архитектура фон Неймана GCSE (14–16 лет)
- Редактируемая презентация урока PowerPoint
- Редактируемые раздаточные материалы
- Глоссарий, охватывающий основные термины модуля.
- Тематические карты памяти для визуализации ключевых понятий
- Распечатанные карточки, которые помогут учащимся активно вспоминать и уверенно повторять.
- Викторина с прилагаемым ключом к ответу для проверки знаний и понимания модуля.
Современные процессоры A-Level (16–18 лет)
- Редактируемая презентация урока PowerPoint
- Редактируемые раздаточные материалы
- Глоссарий, охватывающий основные термины модуля.
- Тематические карты памяти для визуализации ключевых понятий
- Распечатанные карточки, которые помогут учащимся активно вспоминать и уверенно повторять.
- Викторина с прилагаемым ключом к ответу для проверки знаний и понимания модуля.
Термин «Архитектура компьютера» относится к набору правил, определяющих, как компьютерное программное и аппаратное обеспечение объединяются вместе и как они взаимодействуют, чтобы сделать компьютер функциональным. Более того, архитектура компьютера также определяет, какие технологии может обрабатывать компьютер.
Архитектура компьютера – это спецификация, описывающая взаимодействие программного и аппаратного обеспечения для создания работающей платформы.
Когда человек думает о слове «архитектура», человеческий разум, вероятно, думает о сборке зданий или домов, более того, имея в виду тот же принцип, компьютерная архитектура предполагает построение компьютерной системы внутри и снаружи.
- Дизайн системы:
- Конструкция системы – это аппаратные части, включая мультипроцессоры, контроллеры памяти, ЦП, процессоры данных и прямой доступ к памяти. Проект системы можно рассматривать как реальную компьютерную систему.
- Это вращается вокруг процессора. Он включает в себя возможности и функции ЦП, кроме того, он также включает форматы данных ЦП, язык программирования и типы регистров процессора и инструкции, которые используются программистами.
- ЦП — это часть компьютера, которая запускает программу, будь то операционная система или приложение, такое как Photoshop.
- Микроархитектура в системе будет определять элементы хранения/пути данных и то, как они будут реализованы в архитектуре набора инструкций. Микроархитектура также отвечает за обработку данных.
Все это будет объединено в определенном порядке, чтобы сделать систему функциональной.
Что такое архитектура фон Неймана?
В 1945 году Джон фон Нейман, который в то время был математиком, углубился в исследование того, что компьютер может иметь фиксированную простую структуру и при этом выполнять любые вычисления без модификации оборудования. Это при условии, что компьютер правильно запрограммирован с правильными инструкциями, в которых он может их выполнять.
Основное достижение фон Неймана называлось «условной передачей управления», которое позволяло прерывать последовательность программ, а затем повторно запускать ее в любой момент, кроме того, это достижение позволяло хранить данные вместе с инструкциями в одном и том же блоке памяти. .
Это было выгодно, потому что если требовались инструкции, их можно было арифметически изменить так же, как и данные.
Архитектура фон Неймана описывает проектную модель цифрового компьютера с хранимой программой, который включает только один процессор и одну отдельную структуру хранения, в которой будут храниться как инструкции, так и данные.
Архитектура фон Неймана относится к архитектуре, которая хранит данные, а также запрограммированные инструкции в ОЗУ для чтения и записи (оперативное запоминающее устройство).
Характеристики архитектуры фон Неймана
Как упоминалось выше, архитектура фон Неймана основана на том факте, что данные программы и данные инструкции хранятся в одном и том же блоке памяти. Это также можно назвать «концепцией хранимой программы».
Этот дизайн до сих пор используется в современных компьютерах:
Преимущества Недостатки Блок управления таким же образом извлекает инструкции и данные из одного блока памяти.Это упрощает разработку и проектирование блока управления Параллельное выполнение программ не допускается из-за последовательной обработки команд Вышеупомянутое преимущество также означает, что доступ к данным из памяти и с устройств осуществляется одинаково. Таким образом повышается эффективность Единовременно можно получить доступ только к одной «шине». Это приводит к простою ЦП (поскольку он быстрее, чем шина данных). Это считается узким местом фон Неймана Преимуществом является что программисты контролируют организацию памяти Хотя и инструкции, и данные, хранящиеся в одном месте, в целом можно рассматривать как преимущество. Однако это может привести к повторной записи поверх него, что приведет к потере данных из-за ошибки в программе Если неисправная программа выйдет из строя освобождать память, когда она им не нужна (или заканчивать с ней), это может привести к сбою компьютера из-за нехватки доступной памяти Узкое место фон Неймана
Поскольку процессоры и компьютеры с годами увеличивали скорость обработки, а усовершенствования памяти увеличивали емкость, а не скорость, это привело к появлению термина "узкое место фон Неймана". Это связано с тем, что ЦП тратит большое количество времени на бездействие (ничего не делая), ожидая выборки данных из памяти. Независимо от того, насколько быстр процессор, это в конечном итоге зависит от скорости передачи, по сути, если процессор быстрее, это просто означает, что у него будет больше «время простоя».
Подходы к преодолению этого узкого места включают:
- Кэширование:
- Данные, к которым легче получить доступ в ОЗУ, а не в основной памяти. Тип данных, хранящихся здесь, будет часто используемым типом данных.
- Перенос некоторых данных в кеш до того, как они будут запрошены. Это ускорит доступ в случае запроса данных.
- Одновременное управление многими запросами в отдельных потоках.
- Например, DDR SDRAM (синхронная динамическая оперативная память с удвоенной скоростью передачи данных).
- Этот тип ОЗУ активирует вывод как по заднему, так и по переднему фронту системных часов, а не только по переднему фронту.
- Это потенциально может удвоить результат.
- Подсистема, соединяющая контроллер оперативной памяти, оперативную память и шину (путь), соединяющую оперативную память с микропроцессором и устройствами внутри компьютера, которые ее используют.
- PIM объединяют процессор и память в одном микрочипе.
Что такое Гарвардская архитектура?
Гарвардская архитектура названа в честь ретрансляционного компьютера Harvard Mark I, который был компьютером IBM в Гарвардском университете.
Компьютер хранил инструкции на «перфоленте» (шириной 24 бита), кроме того, данные хранились в электромеханических счетчиках. Центральный процессор этих ранних компьютерных систем полностью содержал хранилище данных и не предоставлял доступа к хранилищу инструкций как к данным.
Гарвардская архитектура – это тип архитектуры, в котором данные и инструкции хранятся отдельно, поэтому блок памяти разделяется.
ЦП в системе с гарвардской архитектурой позволяет одновременно получать данные и инструкции, поскольку архитектура имеет отдельные шины для передачи данных и выборки инструкций.
Характеристики Гарвардской архитектуры
Оба типа архитектур содержат одни и те же компоненты, однако основное отличие заключается в том, что в гарвардской архитектуре выборка инструкций и передача данных могут выполняться одновременно (одновременно) (поскольку в системе есть две шины, одна для данных передачи и один для получения инструкций).
Преимущества и недостатки Гарвардской архитектуры
Преимущества Недостатки Из-за того, что инструкции и данные передаются по разным шинам, вероятность повреждения данных меньше Память, выделенная каждому (данные и инструкции) должны быть сбалансированы производителем. Потому что если есть свободная память памяти данных, ее нельзя использовать для инструкций и наоборот Инструкции и данные доступны одинаково td> Однако это преимущество (слева) приводит к более сложной архитектуре, так как требует двух шин.Это означает, что на производство уходит больше времени, и это делает эти системы более дорогими Гарвардская архитектура предлагает высокую производительность, так как эта архитектура допускает одновременный поток данных и инструкций. Они хранятся в отдельной памяти и передаются по отдельным шинам Однако эта архитектура, несмотря на высокую производительность, очень сложна для реализации, особенно для производителей материнских плат Более предсказуемая пропускная способность памяти благодаря архитектуре с отдельной памятью для инструкций и данных Хотя, как было сказано выше, для достижения преимущества слева гарвардская архитектура требует наличия блока управления на две шины. Что увеличивает сложность и затрудняет разработку. Все это увеличивает стоимость системы Измененная архитектура Гарварда
Архитектура фон Неймана Гарвардская архитектура < td data-align="center">На основе концепции компьютера с хранимой программой На основе релейной компьютерной модели Harvard Mark I Использует один и тот же адрес физической памяти для инструкций и данных Он использует разные адреса памяти для инструкций и данных Процессорам требуется два такта для выполнения инструкции Процессору требуется только один такт для выполнения инструкции Архитектура фон Неймана состоит из более простой конструкции блока управления, что означает, что требуется менее сложная разработка. Это означает, что система будет менее дорогостоящей Блок управления гарвардской архитектуры состоит из двух шин, что делает систему более сложной. Это увеличивает стоимость разработки и приводит к удорожанию системы Извлечение инструкций и передача данных не могут выполняться одновременно Извлечение инструкций и передача данных могут выполняться одновременно Используется в ноутбуках, персональных компьютерах и рабочих станциях < td>Используется в обработке сигналов и микроконтроллерахНедостаток чистой гарвардской архитектуры заключается в том, что должен быть обеспечен механизм для отделения нагрузки от программы, подлежащей выполнению, в память инструкций и, таким образом, оставления любых данных, над которыми нужно работать, в памяти данных.
Однако современные системы в настоящее время используют технологию только для чтения для памяти инструкций и технологию чтения/записи для той же памяти.
Это позволяет системе разрешать выполнение предварительно загруженной программы сразу после подачи питания.
Однако данные будут в неизвестном состоянии, поэтому они не могут предоставлять какие-либо предварительно определенные значения программе.
Решением этой проблемы является предоставление инструкций на машинном языке, чтобы содержимое памяти инструкций могло быть прочитано, как если бы они были данными, а также обеспечение аппаратного пути.
Большая часть гарвардской архитектуры в настоящее время используется в модифицированной форме, чтобы ослабить строгое разделение между данными и кодом, сохранив при этом высокопроизводительный одновременный доступ к данным и инструкциям исходной гарвардской архитектуры.
Измененная архитектура Гарварда представляет собой вариант исходной архитектуры Гарварда. Однако разница между ними заключается в том, что модифицированная архитектура позволяет обращаться к содержимому памяти инструкций как к данным.
Обзор и факты
Архитектура фон Неймана была большим шагом вперед по сравнению с компьютерами с программным управлением, которые использовались в 1940-х годах. Такой компьютер был запрограммирован путем установки проводов и переключателей вставок для маршрутизации данных и управляющих сигналов между различными функциональными наборами.
Принимая во внимание, что в настоящее время большинство компьютерных систем используют одну и ту же память как для данных, так и для программных инструкций.
ЦП в системе с гарвардской архитектурой позволяет одновременно получать данные и инструкции, поскольку архитектура имеет отдельные шины для передачи данных и выборки инструкций.
Что такое архитектура фон Неймана?
Архитектура фон Неймана относится к архитектуре, которая хранит данные, а также запрограммированные инструкции в ОЗУ для чтения и записи (оперативное запоминающее устройство).
- Центральный процессор (ЦП)
- Блок управления
- Арифметико-логическое устройство (ALU)
- Блок памяти
- Регистры:
- Счетчик программ (ПК)
- Накопитель (AC)
- Регистр адреса памяти (MAR)
- Регистр данных памяти (MDR)
- Регистр текущих инструкций (CIR)
- Шина данных
- Адресная шина
- Шина управления
Преимущества:
- Менее дорогой/сложный по сравнению с гарвардской архитектурой.
- Эффективно
Недостатки:
- Узкое место фон Неймана
- Большая вероятность потери данных
Что такое Гарвардская архитектура?
- Гарвардская архитектура – это компьютерная система, которая содержит две отдельные области для данных и команд/инструкций.
- Гарвардская архитектура – это тип архитектуры, в котором данные и инструкции хранятся отдельно, что приводит к разделению блока памяти.
Преимущества:
- Меньше вероятность повреждения данных
- Высокая производительность
- Увеличенная пропускная способность памяти
Недостатки:
Измененная архитектура Гарварда представляет собой вариант исходной архитектуры Гарварда. Однако разница между ними заключается в том, что модифицированная архитектура позволяет обращаться к содержимому памяти инструкций как к данным.
- Архитектура с разделенным кэшем
- Архитектура "память инструкций как данные"
- Архитектура "память данных как инструкция"
Ссылки:
Об этом сайте
Teach Computer Science предоставляет подробные и всесторонние учебные ресурсы для новой спецификации 9-1 GCSE, KS3 и A-Level. Одинаково подходит для иностранных преподавателей и студентов.
Более 5000 учителей подписались на использование наших материалов в своих классах.
Что мы предоставляем?
Вкратце: все, что вам нужно для обучения GCSE, KS3 и компьютерным наукам уровня A:
- Сжатые примечания к изменениям
- Буклеты с экзаменационными вопросами
Экзаменационные доски
Наши материалы охватывают требования как британских, так и международных экзаменационных комиссий:
Гарвардская архитектура, используемая Microchip во всех своих продуктах на сегодняшний день, является естественной для DSP, поскольку она обеспечивает одновременный доступ к памяти программ и данных.
Связанные термины:
Скачать в формате PDF
Об этой странице
Процессоры цифровых сигналов
5.4.3.1 Базовая архитектура Гарварда
Гарвардская архитектура относится к структуре памяти, в которой процессор подключен к двум независимым банкам памяти через два независимых набора шин. В исходной гарвардской архитектуре один банк памяти содержит программные инструкции, а другой — данные. Обычно эта концепция немного расширяется, чтобы позволить одному банку хранить программные инструкции и данные, а другому банку — только данные. Эта «модифицированная» гарвардская архитектура показана на рис. 5-10. Ключевое преимущество гарвардской архитектуры состоит в том, что в течение одного командного цикла можно осуществить два обращения к памяти. Таким образом, четыре обращения к памяти, необходимые для примерного КИХ-фильтра, могут быть выполнены за два командных цикла. Этот тип архитектуры памяти используется во многих семействах DSP, включая Analog Devices ADSP21xx.
Рисунок 5-10. Гарвардская архитектура
Наборы инструкций
2.4.1 Процессор и организация памяти
Семейство PIC16F имеет гарвардскую архитектуру с раздельной памятью данных и программ. Модели этого семейства имеют до 8192 слов памяти команд, хранящихся во флэш-памяти. Командное слово имеет длину 14 бит. Память данных имеет побайтовую адресацию. Они могут иметь до 368 байтов памяти данных в статической оперативной памяти (SRAM) и 256 байтов электрически стираемой программируемой постоянной памяти (EEPROM).
Члены семейства обеспечивают несколько функций с низким энергопотреблением: спящий режим, возможность выбора различных тактовых генераторов для работы на разных скоростях и т. д. Они также обеспечивают функции безопасности, такие как защита кода и расположение идентификации компонентов.
Новые тенденции приложений на основе Интернета вещей в повседневной жизни
10.4.3 Платформа Arduino
Одной из самых популярных программных платформ, используемых для разработки продуктов на базе Интернета вещей, является Arduino. Раньше было не очень просто найти платформу для продуктов IoT. Но теперь, с увеличением количества программного обеспечения с открытым исходным кодом, стало возможным создать платформу для продуктов на основе Интернета вещей.
Первоначальная концепция Arduino началась с дизайнеров в Италии, которые лицензировали платы производителям и дистрибьюторам, которые продают официальные версии менее чем за 50 долларов. Однако разработчики Arduino свободно делятся спецификациями для использования всеми, а сторонние производители по всему миру предлагают свои собственные версии, иногда оптимизированные для конкретных целей ( рис. 10.4 ).
Рис. 10.4. Схема Ардуино Уно.
Плата Arduino — это не что иное, как набор на основе микроконтроллера. Первая технология Arduino была разработана в 2005 году Дэвидом Куартьелесом и Массимо Банзи.
Разработчики намеревались создать простую и недорогую плату для студентов, любителей и профессионалов, чтобы они могли создавать устройства.Плату Arduino можно купить у продавца или сделать дома, используя различные базовые компоненты. Лучшими примерами Arduino для начинающих и любителей являются разработка сенсорных детекторов двигателей и термостатов, а также простых роботов. В 2011 году компания Adafruit Industries заявила, что было произведено более 300 000 плат Arduino, но к 2013 году в руках пользователей находилось 700 000 плат. Технология Arduino используется во многих операционных устройствах, таких как связь или управление.
Примером платы Arduino является Arduino Uno. Он включает в себя микроконтроллер ATmega328 и имеет 28 контактов.
Конфигурация выводов платы Arduino Uno показана на рис. 10.5. Он состоит из 14 цифровых входов/выходов, среди которых 6 контактов используются для широтно-импульсной модуляции o/ps и еще 6 аналоговых i/ps. Наряду с этим плата Arduino имеет USB-соединение, разъем питания, кнопку сброса, кварцевый генератор 16 МГц и разъем ICSP. Плата Arduino может питаться либо от персонального компьютера через USB, либо от внешнего источника, такого как батарея или адаптер. Плата Arduino может работать с внешним источником питания 7–12 В, обеспечивая опорное напряжение через вывод IORef или через вывод Vin (как показано на схеме выводов).
Рис. 10.5 . Блок-схема для демонстрации схемы выводов Arduino UNO.
10.4.3.1 Архитектура Arduino
В основном процессор платы Arduino основан на гарвардской архитектуре, где программный код и программные данные используют отдельную память. Он состоит из двух отдельных блоков памяти: памяти программ и памяти данных. В этой архитектуре данные хранятся в памяти данных, тогда как код хранится во флэш-памяти программ. Микроконтроллер Atmega328 имеет 32 КБ флэш-памяти, 2 КБ SRAM, 1 КБ EPROM и работает с тактовой частотой 16 МГц ( рис. 10.6 ).
Рис. 10.6. Архитектура Arduino.
Основное преимущество технологии Arduino заключается в том, что вы можете напрямую загружать программы в устройство без необходимости использования аппаратного программиста для записи программы на устройство или «прожига» программы. Это сделано из-за наличия 0,5 КБ загрузчика, который позволяет программе быть заброшенной, чтобы быть оснащенной схемой. Окно инструментов Arduino содержит панель инструментов с различными кнопками, такими как «Создать», «Проверить», «Открыть», «Загрузить» и «Мониторинг последовательного порта». Кроме того, он включает в себя текстовый редактор (занятый для написания кода), пространство сообщений (отображает обратную связь), например, показывает ошибки, которое отображает o/p, текстовую консоль и ряд меню, таких как файл, редактировать и другие меню инструментов.
Программы, написанные для платы Arduino, называются скетчами. Каждый скетч состоит из трех частей: объявления переменных, инициализации и управляющего кода. Инициализация записывается в функции настройки, а управляющий код записывается в функции цикла.
Эскиз должен храниться в каталоге альбома и текстовой консоли.
Выберите соответствующую плату из номеров последовательных портов и меню инструментов на панели инструментов.
Выберите меню инструментов и нажмите кнопку загрузки; затем загрузчик загружает код в микроконтроллер.
В обычном компьютере с архитектурой фон Неймана инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти. Так же шины используются для получения инструкций и данных. Это означает, что ЦП не может выполнять обе функции одновременно (читать инструкции и читать/записывать данные). Гарвардская архитектура — это компьютерная архитектура, которая содержит отдельное хранилище и отдельные шины (тракт сигнала) для инструкций и данных. Он был в основном разработан, чтобы преодолеть узкое место архитектуры фон Неймана. Основное преимущество наличия отдельных шин для инструкций и данных заключается в том, что ЦП может одновременно получать доступ к инструкциям и чтению/записи данных.
Структура Гарвардской архитектуры
Автобусы
- Шина данных. Она переносит данные между основной системой памяти, процессором и устройствами ввода-вывода.
- Шина адреса данных: по ней передается адрес данных от процессора к основной системе памяти.
- Шина инструкций. Она переносит инструкции между основной системой памяти, процессором и устройствами ввода-вывода.
- Шина адреса инструкций: по ней передаются адреса инструкций от процессора к основной системе памяти.
Операционные регистры
В нем участвуют различные типы регистров, которые используются для хранения адресов различных типов инструкций.
Например, регистр адреса памяти и регистр данных памяти являются операционными регистрами.Счетчик программ
В нем находится следующая выполняемая инструкция. Затем программный счетчик передает этот следующий адрес в адресный регистр памяти.
Арифметико-логическое устройство
Арифметико-логическое устройство — это часть ЦП, которая выполняет все необходимые вычисления. Он выполняет сложение, вычитание, сравнение, логические операции, операции побитового сдвига и различные арифметические операции.
Блок управления
Блок управления — это часть ЦП, которая обрабатывает все управляющие сигналы процессора. Он управляет устройствами ввода и вывода, а также движением инструкций и данных внутри системы.
Система ввода/вывода
Устройства ввода используются для считывания данных в основную память с помощью инструкции ввода ЦП. Информация с компьютера в качестве вывода подается через устройства вывода. Компьютер выдает результаты вычислений с помощью устройств вывода.
Гарвардская архитектура имеет две отдельные шины для инструкций и данных. Следовательно, ЦП может одновременно получать доступ к инструкциям и читать/записывать данные. В этом главное преимущество Гарвардской архитектуры.
На практике используется модифицированная гарвардская архитектура, где у нас есть два отдельных кеша (данные и инструкции). Это распространено и используется в процессорах X86 и ARM.
Эти две процессорные архитектуры можно классифицировать по тому, как они используют память.
Архитектура фон-Неймана
В архитектуре фон-Неймана одна и та же память и шина используются для хранения как данных, так и инструкций, запускающих программу. Поскольку вы не можете получить доступ к памяти программ и памяти данных одновременно, архитектура фон Неймана подвержена узким местам, и это влияет на производительность системы.Рисунок 2: Гарвардская архитектура имеет отдельную шину для сигналов и памяти. (Изображение: Викисклад)
Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура хранит машинные инструкции и данные в отдельных блоках памяти, соединенных разными шинами. В этом случае есть как минимум два адресных пространства памяти для работы, поэтому есть регистр памяти для машинных инструкций и еще один регистр памяти для данных. Компьютеры, разработанные с гарвардской архитектурой, могут выполнять программы и получать доступ к данным независимо друг от друга и, следовательно, одновременно. Гарвардская архитектура имеет строгое разделение между данными и кодом. Таким образом, архитектура Гарварда является более сложной, но отдельные конвейеры устраняют узкое место, созданное фон Нейманом.Модифицированная Гарвардская Архитектура
Большинство современных компьютеров не имеют физического разделения между пространствами памяти, используемыми как данными, так и программами/кодом/машинными инструкциями, и поэтому технически могут быть описаны как компьютеры фон Неймана. Однако лучший способ представить большинство современных компьютеров — это «модифицированная гарвардская архитектура». Современные процессоры могут совместно использовать память, но иметь такие механизмы, как специальные инструкции, которые не позволяют принять данные за код. Некоторые называют это «модифицированной гарвардской архитектурой». Однако в модифицированной гарвардской архитектуре есть два отдельных пути (шины) для сигнала (кода) и хранилища (памяти), а сама память представляет собой одну общую физическую часть. Контроллер памяти — это место, где находится модификация, так как он управляет памятью и тем, как она используется.Рисунок 1. Архитектура фон Неймана существует с 1940-х годов. Поясняющей чертой является то, что одна шина используется как для сигнала, так и для хранения. (Изображение: Викисклад)
Узкое место фон Неймана
Если машина фон Неймана хочет выполнить операцию над некоторыми данными в памяти, она должна переместить данные по шине в ЦП. Когда вычисление завершено, необходимо переместить выходные данные вычисления в память по той же шине. Объем данных, которые может передавать шина за один раз (скорость и пропускная способность), играет большую роль в том, насколько быстрой может быть архитектура фон Неймана. Производительность компьютера зависит от того, насколько ложны процессоры, а также от скорости передачи данных по шине. Процессор может бездействовать, ожидая выборки памяти, или он может выполнять что-то, называемое спекулятивной обработкой, в зависимости от того, что процессору может понадобиться сделать после завершения текущего вычисления (после извлечения данных и выполнения вычислений).Узкое место фон Неймана возникает, когда данные, поступающие в память или извлекаемые из нее, должны ожидать завершения текущей операции с памятью.То есть, если процессор только что завершил вычисление и готов выполнить следующее, он должен записать завершенное вычисление в память (которая занимает шину), прежде чем сможет извлечь новые данные из памяти (которая также использует шину). Узкое место фон Неймана со временем увеличилось, потому что скорость процессоров увеличилась, а память не развивалась так быстро. Некоторые методы уменьшения влияния узких мест заключаются в том, чтобы хранить память в кэше, чтобы свести к минимуму перемещение данных, аппаратное ускорение и спекулятивное выполнение. Интересно отметить, что спекулятивное выполнение является каналом для одного из последних недостатков безопасности, обнаруженных Google Project Zero, под названием Spectre.
48 модулей, охватывающих ВСЕ темы компьютерных наук, необходимые для уровня KS3.
Выпускной экзамен по информатике
45 модулей, охватывающих ВСЕ темы информатики, необходимые для уровня GCSE.
Информатика уровня A
66 модулей, охватывающих ВСЕ темы компьютерных наук, необходимые для A-Level.
Компьютерная архитектура GCSE (14–16 лет)
- Редактируемая презентация урока PowerPoint
- Редактируемые раздаточные материалы
- Глоссарий, охватывающий основные термины модуля.
- Тематические карты памяти для визуализации ключевых понятий
- Распечатанные карточки, которые помогут учащимся активно вспоминать и уверенно повторять.
- Викторина с прилагаемым ключом к ответу для проверки знаний и понимания модуля.
A-Level Характеристики современных процессоров (16-18 лет)
- Редактируемая презентация урока PowerPoint
- Редактируемые раздаточные материалы
- Глоссарий, охватывающий основные термины модуля.
- Тематические карты памяти для визуализации ключевых понятий
- Распечатанные карточки, которые помогут учащимся активно вспоминать и уверенно повторять.
- Викторина с прилагаемым ключом к ответу для проверки знаний и понимания модуля.
ВВЕДЕНИЕ
Микроконтроллеры обычно используют два типа архитектуры.
- Архитектура фон Неймана
- Гарвардская архитектура
Архитектура фон Неймана состоит из блока управления, арифметического и логического блоков, ввода/вывода и регистров.
В архитектуре фон Неймана, которая используется во многих микроконтроллерах, пространство памяти находится на одной шине, поэтому инструкции и данные должны использовать одну и ту же память. Он использует концепцию компьютера с хранимой программой.
Гарвардская архитектура состоит из арифметико-логического блока, памяти данных, ввода/вывода, памяти данных, памяти команд и блока управления.
Harvard Architecture имеет отдельную память для данных и инструкций. Таким образом, инструкции и данные могут быть получены одновременно, что делает процесс удобным для пользователей.
В Гарвардской архитектуре инструкции используются в памяти только для чтения, а данные — в памяти для чтения и записи.
Гарвардская архитектура в основном используется с ЦП, но иногда она используется с основной памятью, поскольку она немного сложна и требует больших затрат.
Размер памяти как для инструкций, так и для данных отличается в случае Гарвардской архитектуры. Программы никогда не могут работать автоматически, и организация памяти не находится в руках пользователя. В этой статье мы можем рассмотреть различные особенности Гарвардской архитектуры.
ПРИМЕРЫ ГАРВАРДСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ
Одним из примеров Гарвардской архитектуры являются ранние компьютерные системы мэйнфреймов, в которых инструкции хранятся на одном носителе программирования, таком как перфокарты, а данные хранятся на другом [носителе программирования, таком как ленты. Результатами Гарвардской архитектуры являются соответствующие им образы.
Машины потока данных и машины сокращения также являются примерами Гарвардской архитектуры. Они демонстрируют высокий уровень параллелизма, что означает, что результаты данных и инструкций могут быть получены одновременно.
ЦИФРОВОЙ СИГНАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР
- Цифровые сигнальные процессоры используются для потоковой передачи данных, а также для одновременной выборки нескольких инструкций с использованием специальной архитектуры памяти и отдельной памяти для данных и программ.
- DSP математически манипулируют процедурами, учитывающими аспекты реального мира, такие как аудио, видео, голос, давление, и оцифровывают их.
- Они также используются для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение и деление.Обработка сигналов важна, потому что информация, которую они содержат, должна отображаться и анализироваться, чтобы их можно было преобразовать в другой сигнал, в формат, который требуется пользователям, чтобы они нашли его интересным.
- Аналогово-цифровые преобразователи берут на себя работу по преобразованию вышеуказанных аспектов в цифровые сигналы с точки зрения нулей и единиц. Затем DSP принимает оцифрованный сигнал и обрабатывает его.
- Он берет оцифрованные сигналы и снова преобразует их в аналоговые сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя, что делает его полезным в реальном мире. Скорость, с которой происходят все эти процессы, очень высока.
- Давайте посмотрим, как цифровой сигнальный процессор работает на MP3-устройствах. Обычно он принимает входные данные через приемники и преобразует их в цифровой сигнал (в виде нулей и единиц) с помощью аналого-цифрового преобразователя. После этапа преобразования выполняется кодирование, и таким образом закодированный файл сохраняется в памяти.
- Затем следует этап декодирования, когда файл берется из памяти, преобразуется в аналоговые сигналы с помощью цифро-аналогового преобразователя, а затем вывод поступает через акустическую систему. Это процесс, который происходит в устройстве MP3. Он также выполняет сложные функции, такие как управление громкостью, редактирование частот и т. д.
- Компьютер может использовать DPS для управления такими параметрами, как эффективность, передача и т. д. Сигналы сначала проходят этап обработки, а затем этап передачи. Телеконференция использует телефонные сигналы для передачи аудио- и видеолиний. Качеством сигналов можно управлять или импровизировать, чтобы оно лучше воспринималось пользователем. Это будет незаметно для глаз пользователя. Например, подавление эха на телефонах.
- Хотя сигналы в реальном мире могут обрабатываться аналоговым способом, эти сигналы с цифровой обработкой могут передаваться с высокой скоростью и очень точны.
КОМПОНЕНТЫ ВНУТРИ DSP
Процессор цифровых сигналов состоит из следующих частей:
Память программы:
Он использует обработанные данные и сохраняет программу в памяти. Обычно он энергонезависим. В этой программной памяти используется флэш-память, перепрограммирование которой возможно с использованием аппаратного интерфейса. А программная память обычно использует концепцию стека.
Память данных:
Память данных называется оперативной памятью. Это временное место для хранения переменных и констант во время выполнения программы. Объем памяти, то есть ОЗУ, варьируется от одного микроконтроллера к другому.
Вычислительный движок:
Он выполняет математические операции и собирает данные и программы из соответствующих мест. Он собирает инструкции из памяти программ, а также собирает данные из памяти данных.
Ввод/вывод:
Метод, используемый для передачи данных с внешнего устройства и микроконтроллера, называется вводом/выводом. Пользователь общается с микроконтроллером через вход/выход. Пользователи вводят свои данные с помощью клавиатуры устройства ввода и получают желаемый результат с принтеров или жестких дисков внешних устройств. Эти устройства ввода/вывода называются периферийными устройствами и являются наиболее распространенными устройствами, которые используются в системе микроконтроллеров.
АРХИТЕКТУРА ЦИФРОВОГО СИГНАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА
Наборы инструкций, используемые в DSP, нерегулярны. В то время как обычные наборы инструкций используются в обычных операциях компьютера, наборы DSP используются в специализированных математических операциях.
Программы на ассемблере обычно помещаются в библиотеки для повторного использования, вместо этого другие машины используют методы компилятора для хранения основных алгоритмов. Многие программы, используемые в DSP, обычно пишутся от руки, чтобы упростить программирование.
Инструкции данных включают в себя различные операции, такие как арифметические инструкции, логические инструкции, логические инструкции и инструкции потока.
Поток программы состоит из конвейерной архитектуры и нескольких накопителей.
Аппаратная архитектура состоит из физических компонентов системы. Как правило, они обеспечивают пространство для размещения других систем на устройстве, а также оценивают другие программные компоненты. Они также обеспечивают пространство для эффективного использования программных компонентов. Они объединяют различные области техники для совместной работы и разработки новых машин и архитектуры.
Однако мы должны понимать, что аппаратные компоненты не могут работать должным образом без помощи программных компонентов. Если мы возьмем, к примеру, современный самолет, нам придется использовать программный встроенный код, чтобы заставить его работать эффективно.
Цифровые сигнальные процессоры обычно используются для обработки данных, и они используют специальные методы памяти для выборки данных и инструкций отдельно по разным путям (концепция Гарвардской архитектуры), а данные и инструкции извлекаются по той же шине, что и в архитектуре фон Неймана. .
Время от времени память использовала кэшированное хранилище, чтобы узнать об операциях задержки.
ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ:
DSP обычно не используют виртуальную память, поскольку они полагаются на многозадачные операции. Операции, использующие виртуальную память, обычно используют концепцию переключения концепций, которая, как доказано, увеличивает задержку.
СОВРЕМЕННЫЕ DSP
Современные цифровые сигнальные процессоры дают еще лучшие результаты. Это связано с низкоуровневым дизайном, расширенным кэшем и т. д.
Каждый DSP может иметь разную скорость. Существует множество цифровых сигнальных процессоров с низкой скоростью, предназначенных для выполнения определенных задач.
XMOS производит множество микроядерных процессоров. Их легко программировать на языке C.
SEVA — это современный DSP, использующий структуру MAC.
Analog Devices использует DSP-систему на основе SHARC.
Технологии Microchip используются в изображениях PIC 24.
Большинство DSP используют фиксированные арифметические значения. Плавающие DSP могут стать недействительными в случае динамических значений. Многие разработчики продуктов используют плавающие DSP, если считают, что устройство должно быть экономичным, а также взамен надежного программного обеспечения на дорогостоящие аппаратные системы.
Современные DSP обычно используются в легко реализуемых алгоритмах.
ПЛЮСЫ И ПРОТИВ DSP
- Они очень точны. Их выходы имеют высокую точность по сравнению с аналоговыми устройствами.
- Реорганизация аналоговых устройств может оказаться очень сложной. В цифровых сигнальных процессорах это просто, так как код мигает за считанные секунды, что делает его удобным для пользователей.
- Алгоритмы высокого уровня можно реализовать с помощью определенных методов.
- Стоимость внедрения цифровых сигнальных процессоров намного ниже по сравнению с аналоговыми процессорами.
- DSP можно легко снизить по сравнению с другими процессорами.
- DSP также могут работать в автономном режиме, что упрощает транспортировку.
- Это довольно сложно, так как использует преобразователи. АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).
- Каждый DSP имеет отдельные аппаратные и программные устройства. Таким образом, DSP нельзя использовать без надлежащего обучения.
- Для цифровой передачи требуется более широкая полоса пропускания, чем для аналоговой.
- IC следует использовать с осторожностью, поскольку они очень дороги.
- Мы должны четко усвоить концепции, так как присутствующий блок управления более сложен, и перепроектирование было бы утомительной работой.
ФАКТЫ ОБ АРХИТЕКТУРЕ ГАРВАРДА
- Гарвардская архитектура повышает скорость процессора. Поскольку данные и инструкции хранятся в отдельных шинах, это очень удобно для многих пользователей.
- Harvard Architecture придерживается схемы "Конвейер". Если выполняется одна инструкция, другая инструкция будет извлечена из памяти. Это позволяет перекрывать инструкции, что значительно увеличивает скорость выполнения.
- RISC (компьютер с сокращенным набором инструкций) и CISC (компьютер со сложным набором инструкций) — это методологии, используемые в Гарвардской архитектуре. В микроконтроллере RISC данные имеют размер 8 бит, а инструкции имеют ширину 12 или 16 бит. Таким образом, все выполняется одновременно, что повышает производительность.
- В CISC данные и инструкции имеют разрядность 8 бит. Обычно у них более 200 инструкций. Но их нельзя выполнять одновременно, а одновременно.
- Исполнительный блок состоит из 2 арифметических и логических блоков, 1 блока сдвига, 1 умножителя, накопителей и т. д. Таким образом, они могут выполнять арифметические операции стабильно и с превосходным параллелизмом.
- Многие микроконтроллеры также используют таблицу поиска. (ЛУТ). Они использовались для целей модуляции.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ГАРВАРДСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ
ПРЕИМУЩЕСТВА:
- Поскольку данные и инструкции хранятся на разных шинах, вероятность повреждения очень мала.
- Данные, использующие режим только для чтения, и инструкции, использующие режим чтения-записи, обрабатываются одинаково. Доступ к ним также можно получить аналогичным образом.
- Как правило, будут присутствовать две памяти, одна для данных, а другая для инструкций, они имеют разные размеры ячеек, что позволяет очень эффективно использовать ресурсы.
- Пропускная способность, используемая для памяти, более предсказуема.
- Обычно они обеспечивают высокую производительность, поскольку данные и шины хранятся в отдельной памяти и перемещаются по разным шинам.
- Можно поддерживать параллельный доступ к данным и инструкциям.
- Планирование больше не требуется, так как существуют отдельные шины для данных и инструкций.
- Программисты могут разработать блок памяти в соответствии со своими требованиями.
- Блок управления получает данные и инструкции из одной памяти. Таким образом, упрощается архитектура блока управления.
МИНУСЫ:
- Незанятая память данных не может использоваться инструкциями, а свободная память инструкций не может использоваться данными. Память, выделенная каждому устройству, должна быть тщательно сбалансирована.
- Программа не может быть написана машиной самостоятельно, как в архитектуре фон Неймана.
- Разработка блока управления требует больше времени и стоит дорого.
- На архитектуре 2 автобуса. Это означает, что материнская плата будет более сложной, что, в свою очередь, означает, что будет две оперативной памяти и, следовательно, будет иметь очень сложную конструкцию кэш-памяти. По этой причине он используется в основном внутри ЦП, а не вне его.
- Производство компьютера с 2 шинами требует больше времени и, как и блок управления, требует больших затрат.
- У него больше контактов на микросхемах. Поэтому реализовать его очень сложно.
- Он не используется широко, поэтому его разработка будет отставать.
- Он не всегда занимает большую часть центрального процессора.
ОБЗОР ГАРВАРДСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ
- Основные сведения. Он основан на компьютерной модели Harvard I.
- Память: отдельная память для данных и инструкций. Таким образом, к каждой системе в памяти можно получить доступ одновременно.
- Обработка инструкций: в Гарвардской архитектуре обработка инструкций может быть завершена за одну фазу, если конвейеры находятся в соответствующих местах.
- Стоимость: блок управления в Гарвардской архитектуре требует больше времени для разработки и является дорогостоящим.
- Применение. В основном они используются в микроконтроллерах и цифровых сигнальных процессорах.
Итак, мы должны выбрать Гарвардскую архитектуру, если
- Инструкции шире, чем данные. В этом случае, если инструкции будут обрабатываться отдельно, они могут привести к более надежному выводу. В то время как, если они помещены в одну ячейку с данными, они имеют тенденцию перекрываться, что приводит к ошибкам.
- Нам следует обратить внимание на то, доступны ли кэши только для чтения. Это связано с тем, что если кэши имеют параметр чтения-записи, это может занять больше времени для его разработки, а также может быть сложным.
- У них должна быть отдельная полоса пропускания для лучшей оптимизации.
- Очень эффективен в случае JIT, компиляторов Just in Time, где штрафы за копирование и вставку могут быть нарушены, присутствует метапрограммирование, а также доступен самомодифицирующийся код.
- Где основное внимание будет уделяться аспекту программирования. Потому что с микроконтроллерами было бы сложно спроектировать и разработать другие варианты, поскольку материнские платы внутри них были бы сложными для понимания и в целом оказались бы утомительной задачей.
- Встроенные процессоры могут быть разработаны, поскольку они должны обладать характеристиками, которые, в свою очередь, способствуют перекрестным помехам между обеими сторонами, если они имеют большую пропускную способность памяти и канал с плоским адресом.
- Реализована концепция стека. Блок адреса не должен усложняться, так как может потребоваться параллельное выполнение как минимум двух путей. Счетчик программ и указатель стека будут присутствовать. Регистры, присутствующие в указателях, могут увеличиваться или уменьшаться.
- Некоторые цифровые сигнальные процессоры используют концепцию LIFO. Последний пришел первым вышел. Это также называется аппаратным стеком. Таким образом, мы можем отправлять и извлекать стек быстрее, поэтому не требуется использование адресных шин.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
Итак, мы подробно обсудили Гарвардскую архитектуру. Мы также увидели все преимущества и недостатки Гарвардской архитектуры. Примеры были обсуждены, чтобы сделать его более понятным для глаз пользователя. Таким образом, мы должны убедиться, что полностью овладеваем архитектурой, чтобы получить от нее наилучшие результаты. Мы также должны четко понимать, в каком случае мы должны использовать архитектуру Гарварда и фон Неймана, и эффективно использовать то, что мы используем. Не стесняйтесь оставлять любые комментарии и делиться своими предложениями, а также обсуждать больше!!
ССЫЛКИ:
Об этом сайте
Teach Computer Science предоставляет подробные и всесторонние учебные ресурсы для новой спецификации 9-1 GCSE, KS3 и A-Level. Одинаково подходит для иностранных преподавателей и студентов.
Более 5000 учителей подписались на использование наших материалов в своих классах.
Что мы предоставляем?
Вкратце: все, что вам нужно для обучения GCSE, KS3 и компьютерным наукам уровня A:
- Сжатые примечания к изменениям
- Буклеты с экзаменационными вопросами
Экзаменационные доски
Наши материалы охватывают требования как британских, так и международных экзаменационных комиссий:
Читайте также: