Разлика между Harvard и Von Neumann архитектура в embedded системите

Въведение

В света на embedded системите изборът на архитектура на процесора е изключително важен. Двете най-популярни архитектури са Harvard и Von Neumann. Те определят начина, по който микроконтролерът или процесорът работи с паметта и данните.

Разбирането на разликите между тези две архитектури помага на инженерите да изберат правилния хардуер за конкретно приложение – било то Arduino проект, индустриален контролер или IoT устройство.

Какво представлява Von Neumann архитектурата? 

Von Neumann архитектурата е една от най-старите и най-прости компютърни архитектури.

Основни характеристики:

• Използва една обща памет за:

  • програмния код;

  • данните.

• Има една обща шина (bus), по която минават:

  • инструкции;

  • данни.

Как работи?

1. Процесорът взима инструкция от паметта;

2. Декодира инструкцията;

3. Изпълнява инструкцията;

4. Ако е нужно – чете или записва данни в същата памет.

Всичко това става последователно, защото се използва една шина.

Предимства:

• По-прост дизайн;

• По-евтина реализация;

• Лесна за програмиране.

Недостатъци:

• Bottleneck проблем – процесорът не може едновременно:

  • да чете инструкция;

  • и да чете/пише данни.

• По-ниска производителност

Какво представлява Harvard архитектурата? 

Harvard архитектурата е по-модерна и оптимизирана за скорост.

Основни характеристики:

• Използва две отделни памети:

  • една за програмата;

  • една за данните.

• Има две отделни шини:

  • шина за инструкции;

  • шина за данни;

Как работи?

Процесорът може едновременно:

• да чете инструкция от програмната памет;

• да чете или записва данни в RAM;

Това позволява паралелна работа.

Предимства:

• По-висока скорост;

• Няма bottleneck проблем;

• По-добра производителност.

Недостатъци:

• По-сложен дизайн;

• По-скъпа реализация;

• По-трудна за програмиране.

Сравнение между Harvard и Von Neumann

Къде се използват в embedded системите? 

Von Neumann архитектура:

• По-стари микроконтролери;

• Някои процесори за общо предназначение;

• Евтини системи.

Harvard архитектура:

• AVR микроконтролери (Arduino UNO);

• PIC микроконтролери;

• DSP процесори;

• ARM Cortex-M (модифицирана Harvard).

Модифицирана Harvard архитектура

В съвременните embedded системи често се използва модифицирана Harvard архитектура.

Какво означава това? 

• Разделени шини за инструкции и данни;

• Но има възможност:

  • кодът да достъпва RAM;

  • данните да се четат от Flash.

Това комбинира:

• скоростта на Harvard;

• гъвкавостта на Von Neumann.

Пример от реалния свят – Arduino

Arduino UNO използва AVR микроконтролер, който е базиран на Harvard архитектура.

• Програмата се пази във Flash памет;

• Данните се пазят в RAM;

• Процесорът може едновременно:

  • да чете код;

  • да работи с променливи.

Това прави Arduino:

• бърз;

• енергоефективен;

• подходящ за embedded проекти.

Коя архитектура е по-добра? 

Няма универсален отговор.

Изборът зависи от:

• нужната скорост;

• цена;

• сложност на проекта;

• консумация на енергия.

Harvard е по-добра за:

• реално време;

• бързи изчисления;

• индустриални системи.

Von Neumann е по-добра за:

• прости проекти;

• образователни цели;

• нисък бюджет.

Заключение

Harvard и Von Neumann архитектурите имат различен подход към управлението на паметта.

• Von Neumann е проста и евтина;

• Harvard е бърза и ефективна.

В embedded системите най-често се използва Harvard или модифицирана Harvard архитектура, защото предлага по-добра производителност и оптимизация.

Разбирането на тези архитектури помага да:

• изберем правилния микроконтролер;

• оптимизираме кода;

• създадем по-надеждни системи.