Недостаток архитектуры фон Неймана

Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать. Поэтому необходимо постоянно подгружать данные, используя слиппирование при недостатке оперативной памяти. Это серьёзно ограничивает эффективное быстродействие при использовании процессоров, необходимых для выполнения минимальной обработки на больших объёмах данных.

 

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:

1. Программы и данные хранятся в физически разных различных областях памяти.

2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

В микроконтроллерах рабочая программа хранится в энергонезависимой EEPROM-памяти, а данные хранятся в энергозависимой SRAM-памяти.

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий:

1) выборку двух операндов,

2) выбор инструкции и её выполнение,

3) и, наконец, сохранение результата.

Гарвардская архитектура

Схема процессора с гарвардской архитектурой.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера.

В гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не обязательно должны быть одинаковыми. В частности, ширина слова, тактирование, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут храниться в памяти только для чтения, в то время как для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных, поскольку данные обычно могут подгружаться с внешней или более медленной памяти. Такая потребность увеличивает битность (ширину) ША памяти инструкций по сравнению с ША памяти данных.

 

RISC -архитектура

RISC (англ. restricted (reduced) instruction set computer — компьютер с сокращённым набором команд, выполняемых за 1-2 такта) — архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — меньшим. Все современные компьютеры имеют в своём составе RISC-ядро.

Характерные особенности RISC-процессоров:

1. Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.

2. Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи.

3. Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

4. Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64-битными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-битными словами.

5. Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC-процессоре исполняется микропрограммами, в RISC-процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений.