معماری هاروارد

جزئیات حافظه

در معماری هاروارد به ساختن دو حافظه‌ای که ویژگی‌های مشترکی دارند نیازی نیست. به خصوص عرض کلمه، زمان‌بندی، تکنولوژی پیاده‌سازی و ساختار آدرس دهی حافظه می‌تواند متفاوت باشد. در برخی سیستم‌ها دستورالعمل‌ها می‌تواند در حافظهٔ فقط خواندنی ذخیره شود، درحالی که حافظه داده به‌طور کلی نیازمند حافظهٔ خواندن– نوشتن است. در برخی سیستم‌ها، حافظه دستورالعمل از حافظه داده بیشتر است؛ بنابراین آدرس‌های دستورالعمل‌ها عرض بیشتری نسبت به آدرس‌های داده دارند.

تفاوت معماری هاروارد با فون نیومن

در معماری خالص فون نیومن، CPU می‌تواند در حال خواندن یک دستورالعمل یا خواندن – نوشتن داده از حافظه یا در آن باشد. هر دوی این‌ها نمی‌توانند در یک زمان اتفاق بیفتند چون دستورالعمل‌ها و داده‌ها از سیستم bus یکسانی استفاده می‌کنند. در یک کامپیوتر که از معماری هاروارد استفاده می‌کند، CPU بدون اینکه از حافظه cache استفاده کند، می‌تواند همزمان دو عمل خواندن دستورالعمل و دسترسی داشتن به یک داده حافظه را انجام دهد. به این ترتیب با یک پیچیدگی مداری یکسان، کامپیوتری با معماری هاروارد می‌تواند سریع تر باشد؛ چون واکشی دستورالعمل‌ها و دسترسی داده به مسیر حافظه‌ای یکسان نیاز ندارند.
همچنین ماشین با معماری هاروارد دارای فضای آدرس دهی داده و کد مجزایی است: آدرس صفر دستورالعمل با آدرس صفر داده یکسان نیست. ممکن است یک مقدار ۲۴ بیتی را مشخص کند، درحالیکه آدرس صفر داده ممکن است به یک بایت اشاره کند که قسمتی از آن مقدار ۲۴ بیتی نیست.

تفاوت معماری هاروارد با معماری هاروارد بهبود یافته

یک ماشین دارای معماری هاروارد بهبود یافته بسیار شبیه یک ماشین با معماری هاروارد است اما سخت‌گیری آن برای تفکیک بین حافظه داده و دستورالعمل کمتر است. البته هنوز به CPU اجازهٔ دسترسی همزمان به دو Bus حافظه یا بیشتر داده می‌شود. بیشترین بهبود انجام شده شامل تفکیک cache داده و دستورالعمل با یک فضای آدرس مشترک است. هنگامی که CPU از cache اجرا می‌کند، به عنوان یک ماشین هاروارد خالص عمل می‌کند. وقتی که به حافظهٔ مرتبهٔ بالاتر دسترسی می‌یابد، شبیه یک ماشین فون نیومن عمل می‌کند (که کد می‌تواند مانند داده منتقل شوند، که یک تکنیک قوی است). این بهبود در پردازنده‌های مدرن به صورت گسترده‌ای انجام شده‌است، مانند معماری ARM و پردازنده‌های x86. گاهی به صورت خلاصه معماری هاروارد بهبود یافته، معماری هاروارد گفته می‌شود.
بهبود دیگر در این معماری، ایجاد یک مسیر بین حافظه دستورالعمل (مثل ROM یا حافظه flash) و CPU که باعث می‌شود کلمه‌های حافظه دستورالعمل، به صورت دادهٔ فقط خواندنی عمل کنند. این روش در برخی میکروکنترلرها از جمله Atmel AVR استفاده شده‌است. این روش اجازه می‌دهد که داده‌های ثابت مانند رشته‌های متنی یا جدول‌های تابعی، بدون داشتن کپی اولیه، برای جلوگیری از گرسنگی (و گرسنگی توان) داده‌های حافظه برای متغیرهای خواندنی/ نوشتنی، درحافظهٔ اصلی در دسترس قرارگیرند زبان‌های ماشین، دستورالعمل‌های خاصی دارند که داده را از حافظه دستورالعمل می‌خوانند. (این با دستورالعمل‌هایی که خودشان دادهٔ ثابت نهفته هستند، فرق دارد، اگرچه برای ثابت‌های مستقل، هردو مکانیزم برای یکدیگر قابل استفاده هستند)

سرعت

در سال‌های اخیر، سرعت CPU در مقایسه با سرعت دسترسی به حافظه اصلی، رشد بسیاری داشته‌است. توجه شود که به منظور افزایش کارایی، تعداد دفعات دسترسی به حافظه اصلی کاهش یافته‌است. اگر برای مثال هر دستورالعمل که در CPU اجرا می‌شود نیازمند یک دسترسی به حافظه باشد، سرعت CPU زیاد نمی‌شود – مشکل محدودیت حافظه پدید می‌آید.
ممکن است بتوان حافظه‌های خیلی سریع ساخت اما با در نظر گرفتن ملاحظات قیمت، توان و مسیر یابی سیگنال فقط برای حافظه‌های با حجم کم امکان‌پذیر است. راه حل آن است که یک مقدار کم از حافظهٔ خیلی سریع که به آن CPU cache می‌گویند فراهم گردد و داده‌ای که اخیراً مورد دسترسی بوده را نگه می‌دارد. تا وقتی داده‌ای که CPU به آن نیاز دارد در cache باشد، کارایی بیشتر از زمانی است که cache آن داده را از حافظهٔ اصلی دریافت کند.

طراحی داخلی در برابر طراحی خارجی

تراشه‌های طراحی CPU مدرن، با کارایی بالا ویژگی‌های معماری هاروارد و Harvard را با هم ترکیب می‌کنند. مخصوصاً ورژن چندبخشی کردن معماری بهبودیافتهٔ هاروارد بسیار متداول است. حافظهٔ cache CPU به cache دستورالعمل و cache داده تقسیم می‌شود. هنگامی که CPU به cache دسترسی پیدا می‌کند، معماری به صورت هاروارد است. معمولاً زمانی فقدان cache رخ می‌دهد و داده از حافظه اصلی گرفته می‌شود که به قسمت‌های داده و دستورالعمل تقسیم نشود. اگرچه داشتن کنترل کننده‌های جداگانهٔ حافظه برای دسترسی همزمان به ROM و (NOR) حافظه flash بهتر است.
بنابراین اگرچه در برخی contextها معماری فون نیومن آشکار است، اما مانند زمانی که داده و کد از یک کنترل کنندهٔ حافظه می‌آیند پیاده‌سازی سخت‌افزاری به سودمندی معماری هاروارد برای دسترسی cache و کمینه کردن دسترسی به حافظه اصلی می‌رسد.
به علاوه، CPUها اغلب دارای بافرهای نوشتن هستند که این امکان را برای CPU فراهم می‌کند که بعد از نوشتن در ناحیهٔ غیرcache اقدام کنند. طبیعت حافظهٔ معماری فون نیومن وقتی آشکار می‌شود که دستورالعمل‌ها به عنوان داده توسط CPU نوشته می‌شوند و نرم‌افزار باید cache آن را تأمین نماید (cache داده و دستورالعمل) و بافر نوشتن قبل از اجرای اجرای دستورالعمل‌هایی که اندکی بیش نوشته شده‌اند، همگام سازی شود.