Arquitectura Harvard (Maciel Giovan)

Arquitectura de Harvard

Maciel Giovan

¿Qué es?

La arquitectura Harvard es una configuración de la computadora en la que los datos y las instrucciones de un programa se encuentran en celdas separadas de memoria, que se pueden abordar de forma independiente. Es decir, es el término utilizado para un sistema informático que contiene dos áreas separadas: para los comandos o instrucciones y para los datos. Por tanto, la función principal de esta arquitectura es almacenar los datos separados físicamente, proporcionando diferentes rutas de señal para las instrucciones y los datos.

Origen

El trabajo realizado en la Universidad de Harvard en la década de 1940 bajo el liderazgo de Howard Aiken creó una computadora original basada en relés, llamada Harvard Mark I, que es el término de donde surge el concepto de la arquitectura Harvard. Esta computadora empleaba unidades de memoria separadas para almacenar los datos y las instrucciones. Luego ha habido un desarrollo significativo con esta arquitectura. Aiken incitó a utilizar memorias separadas para los datos y para las instrucciones del programa, con buses separados para cada una. La arquitectura Harvard original almacenaba habitualmente las instrucciones en cintas perforadas y los datos en contadores electromecánicos. El almacenamiento de datos de estas primeras máquinas estaba totalmente dentro de la unidad central de procesamiento. Por otro lado, no daban acceso para que las instrucciones se almacenaran como datos. Un operador debía cargar los programas. Una arquitectura Harvard puede procesar los datos y ejecutar las instrucciones al mismo tiempo, porque cada uno de ellos tiene un bus de direcciones propio.

¿Como funciona?

La arquitectura Harvard tiene áreas diferentes de direcciones de memoria para el programa y para los datos. Esto trae como consecuencia la capacidad de diseñar un circuito de tal manera que se pueda usar un bus y un circuito de control para manejar el flujo de información desde la memoria del programa y otro separado para manejar el flujo de información hacia la memoria de datos. El uso de buses separados significa que es posible que la recuperación y ejecución de un programa se realice sin que haya ninguna interrupción por alguna transferencia ocasional de datos a la memoria de datos. Por ejemplo, en una versión simple de esta arquitectura, la unidad de recuperación del programa podría estar ocupada recuperando la siguiente instrucción en la secuencia del programa y en paralelo realizar una operación de transferencia de datos que pudieron haber sido parte de la anterior instrucción del programa. En este nivel la arquitectura Harvard tiene una limitación, ya que generalmente no es posible colocar el código del programa en la memoria de datos y ejecutarlo desde allí. Adiciones en la arquitectura

Aplicaciones

Este tipo de arquitectura tiene una amplia aplicación en los productos de procesamiento de video y audio. Con cada herramienta para procesar video y audio se podrá advertir la figura de la arquitectura Harvard. Los procesadores Blackfin de Analog Devices son el dispositivo particular donde ha conseguido su principal uso. En otros productos basados ​​en chips electrónicos, la arquitectura Harvard también se usa ampliamente. Sin embargo, la mayoría de las computadoras usan la arquitectura von Neumann y emplean cachés de CPU para lograr una superposición.

Arquitectura Harvard vs Von Neumann

Basicamente...

Se sabe que la arquitectura de Von Neumann y Harvard son los dos modelos básicos en los que se basan los sistemas informáticos. La diferencia significativa entre la arquitectura de Von Neumann y la de Harvard surge según la forma en que la CPU se separa de la memoria. En ambas arquitecturas, se utilizan dos formas diferentes mediante las cuales la CPU accede a la memoria. La arquitectura de Von Neumann también se conoce como arquitectura de princeton fue propuesta por John Von Neumann en el año 1945 y es una arquitectura donde los datos y programas están sujetos a memoria compartida, es decir, se almacenan en el mismo bloque de memoria. Por el contrario, la arquitectura de Harvard es un enfoque en el que los datos y las instrucciones no comparten la misma memoria, es decir, están presentes en diferentes bloques de memoria. En general, se dice que Harvard se propuso para hacer frente a la limitación de la arquitectura de Von Neumann.

DEFINICIÓN DE ARQUITECTURA VON NEUMANN

Una arquitectura de computadora que utiliza una sola unidad de memoria dentro de la cual se almacenan tanto los datos como las instrucciones se conoce como arquitectura de Von Neumann. Hay tres componentes principales que constituyen esta arquitectura:

• UPC
• Memoria
• interfaz de E/S

La unidad central de procesamiento está compuesta por la unidad de control, la unidad aritmética y lógica y los registros. La unidad de control se encarga de generar señales de control en base al orden de ejecución de las instrucciones. La ALU es responsable de ejecutar las operaciones matemáticas. Mientras que los registros se encargan de almacenar temporalmente datos e instrucciones. La unidad de memoria también sirve como una parte crucial del sistema general, ya que almacena tanto datos como códigos. La memoria de una computadora se clasifica principalmente en RAM y ROM. La RAM es la unidad de almacenamiento temporal que almacena datos junto con instrucciones de propósito general. Mientras que la ROM es un tipo de memoria permanente que contiene las instrucciones responsables de iniciar el sistema. En esta arquitectura, los datos y las instrucciones residen en una sola unidad de memoria, por lo tanto, la CPU utiliza un solo conjunto de buses para acceder a la memoria. Después de la ejecución del programa, los datos se almacenan en la memoria desde donde se proporcionan a los dispositivos de salida.

DEFINICIÓN DE ARQUITECTURA HARVARD

Una arquitectura de computadora donde la unidad de memoria se divide en dos partes para almacenar datos e instrucciones individualmente se conoce como arquitectura Harvard. Esto significa que, a diferencia de la arquitectura de Von Neumann, aquí la memoria de datos y la memoria de instrucciones están en formato separado. En esta arquitectura, la CPU funciona de manera algo similar a la arquitectura de Von Neumann. Pero como aquí se usan dos unidades de memoria separadas, se usan buses separados para la transferencia de datos y la obtención de instrucciones. Por lo tanto, la velocidad de ejecución es mucho más rápida que la arquitectura de Von Neumann. En este enfoque, se produce una utilización eficiente de los recursos, ya que los bits de instrucciones a veces son más que los bits de datos, lo que permite diferentes tamaños de celda. Además, el uso de memorias separadas para datos e instrucciones ayuda a minimizar el tiempo de ejecución. Sin embargo, en el modelo de Harvard, la unidad central de procesamiento presente debe ser más eficiente para poder manejar dos conjuntos de buses y permitir la transferencia de datos y la obtención de instrucciones simultáneas.

¿Entonces que diferencias podemos encontrar entre ambas?

• La diferenciación entre la arquitectura de Von Neumann y la de Harvard es que en la arquitectura de Von Neumann la CPU accede a una única memoria que contiene datos e instrucciones. Por el contrario, en la arquitectura de Harvard, las unidades de memoria individuales están presentes para los datos y las instrucciones a las que accede el procesador.
• La presencia de una sola unidad de memoria hace que el sistema compuesto por arquitectura Von Neumann sea bastante compacto en comparación con el sistema con arquitectura Harvard, ya que tiene más de una memoria, es voluminoso.
• En la arquitectura de Princeton, se utiliza un bus común para datos e instrucciones. Mientras que en la arquitectura de Harvard se utiliza un conjunto separado de buses para transferir los datos y la obtención de instrucciones, ya que aquí existen dos unidades de memoria separadas.
• Los costo de desarrollo un sistema con arquitectura Von Neumann es comparativamente menor que el costo de desarrollo de un sistema con arquitectura Harvard.
• Uno de las importantes caracteristicas de la arquitectura de Harvard es que ofrece transferencia de datos y obtención de instrucciones de la memoria al mismo tiempo porque comprende dos conjuntos de buses para que se lleve a cabo la operación. Por el contrario, este no es el caso con la arquitectura de Princeton, ya que el bus único se utiliza tanto para la transferencia de datos como para la obtención de instrucciones, por lo que las dos tareas no pueden realizarse simultáneamente.

¿Entonces que diferencias podemos encontrar entre ambas?

• La arquitectura Von Neumann necesita menos espacio ya que tiene una sola unidad de memoria, pero la arquitectura de Harvard comparativamente ocupa más espacio debido a las múltiples unidades de memoria.
• La arquitectura de Von Neumann exhibe una forma más lenta velocidad de ejecución porque no permite el procesamiento simultáneo mientras que la velocidad de ejecución que ofrece la arquitectura Harvard es mayor.
• Aunque la velocidad de ejecución de las operaciones es menor en el caso de Von Neumann, aquí el implementación es bastante simple, sin embargo, la arquitectura de Harvard ofrece una operación comparativamente compleja.
• En la arquitectura de Von Neumann se accede a una sola memoria así requisito de hardware es bajo. Por el contrario, en Harvard se accede a dos unidades de memoria, por lo que los requisitos de hardware obviamente serán altos.
• La utilización del espacio dentro de la memoria es un problema importante en el modelo de Harvard, ya que aquí los datos y las instrucciones se almacenan por separado, por lo tanto, incluso si queda algo de espacio en la memoria de datos, ninguna instrucción puede utilizar ese espacio. Sin embargo, el factor de utilización del espacio es comparativamente mejor en el modelo de Von Neumann porque tanto los datos como las instrucciones se almacenan en la misma unidad de memoria.

Conclusión

Se puede concluir que la arquitectura de Harvard es algo así como una improvisación en la arquitectura de Von Neumann al ofrecer un diseño comparativamente mejor, proporcionando así una ejecución simultánea. Sin embargo, varios sistemas modernos no ofrecen separación física entre los datos y la memoria del programa, por lo que se dice que están basados ​​en la arquitectura de Von Neumann. Podemos decir entonces que la arquitectura Harvard y la arquitectura Von Neumann son dos modelos fundamentales en informática. La principal diferencia radica en la forma en que se almacenan y acceden a los datos. En la arquitectura Harvard, la memoria de programa y la memoria de datos se encuentran separadas físicamente, lo cual permite acceder simultáneamente a instrucciones y datos. Esto agiliza el rendimiento pero requiere más recursos.