Von Neumannova a harvardská architektura
Von Neumannova a harvardská architekturaDatum zveřejnění: 09-11-2023 Datum aktualizace: 20-04-2026 🕒 5 min čtení
Každý počítačový systém je vytvořen podle předem stanovených pravidel, která se označují jako „architektury”. Ta popisuje uspořádání a fungování počítačového systému, včetně procesoru, paměti, vstupních a výstupních zařízení, a nezřídka i sítě. Rozlišujeme několik typů architektury, z nichž nejznámější jsou von Neumannova a harvardská architektura.
- Počítačové systémy s von Neumannovou architekturou.
- Charakteristika harvardské architektury.
- Srovnání von Neumannovy a harvardské architektury.
- Jiné architektury počítačových systémů.
Von Neumannova architektura
Von Neumannova architektura (pojmenovaná po Johnu von Neumannovi) vznikla ve 40. letech 20. století a je založena na třech základních prvcích, kterými jsou procesor, paměť a vstupní/výstupní zařízení.
V takto navrženém počítači jsou program i data uloženy ve stejné paměti, ke které je připojen procesor (sestávající z řadiče a aritmeticko-logické jednotky). Postupně načítá instrukce z paměti a vykonává příslušné příkazy, čímž vykonává uložený program. Ke komunikaci s okolním světem se používají vstupní/výstupní zařízení. V případě komunikace s uživatelem by takovými zařízeními byly monitor a klávesnice, ale v mnoha případech (např. u integrovaných obvodů) to budou především vstupní/výstupní porty, sériové sběrnice apod.
Von Neumannova architektura je široce používána ve většině moderních počítačů. Za svou popularitu vděčí především své jednoduchosti a univerzálnosti. Je však třeba mít na paměti, že tento model není bez vad: nejdůležitější z nich je omezená rychlost.
Harvardská architektura
Stejně jako von Neumannova koncepce vznikla i harvardská architektura ve 40. letech 20. století. Jako první ji navrhli vědci z Harvardovy univerzity. Je dosti podobná von Neumannově myšlence: i zde máme procesor vykonávající postupně instrukce a vstupní/výstupní zařízení. Hlavním rozdílem je paměť. V harvardské architektuře je rozdělena na dva samostatné prvky, v prvním se ukládají data, ve druhém je uložen program.
Takové uspořádání zvyšuje rychlost celého systému. Ve von Neumannově architektuře se program vykonává sekvenčně, což znamená, že procesor se musí vždy přesunout na další paměťovou buňku, aby získal další příkaz nebo data. V harvardském systému jsou tyto procesy vykonávány paralelně (nebo lépe řečeno nezávisle), což znamená, že procesor může získávat příkazy a data pomocí oddělených adresních prostorů.
Harvardská architektura se díky svým vlastnostem často používá v pokročilých integrovaných systémech (angl. embedded), jako jsou například mikrokontroléry, signálové procesory (DSP) a některé superpočítače. Jinými slovy, všude tam, kde je vyžadováno paralelní zpracování instrukcí a dat, například v aplikacích reálného času nebo v řadičích.
Která architektura je lepší? Von Neumannova nebo harvardská architektura?
Volba mezi těmito architekturami závisí především na požadavcích daného systému. Von Neumannův systém je oblíbenější díky své jednoduchosti a univerzálnosti. Harvardská architektura je mnohem složitější a nabízí vyšší výkon, ale její implementace je komplikovanější.
Každodenně se s von Neumannovou architekturou (i když ve velmi rozvinuté podobě) setkáváme v osobních počítačích a serverech založených na procesorech x86, jejichž příkladem jsou rodiny čipů Intel Core a AMD Ryzen. Kromě toho jsou na von Neumannově myšlence založeny procesory ARM, které využívají jádra Cortex, jako např. Cortex-A a Cortex-M. Tyto konstrukce se často používají v mobilních zařízeních, vestavných systémech, mikrokontrolérech a dalších aplikacích.
Harvardská architektura si rovněž našla své místo. Tuto koncepci využívají především procesory DSP, známé také jako signálové procesory. Konkrétním příkladem zde může být řada TMS320 od firmy Texas Instruments. Díky paralelnímu zpracování zvládají procesory DSP skvěle zpracovávat signály, jako je zvuk, video nebo rádiové signály.
Jiné typy architektur
V současné době jsou neoblíbenější von Neumannova a harvardská architektura, ale kromě nich existuje několik dalších konceptů pro stavbu počítačových systémů, mezi něž patří:
Kombinovaná architektura
Modifikovaná harvardská architektura, známá také jako kombinovaná architektura, spojuje vlastnosti dvou dříve popsaných nejoblíbenějších modelů. Je to jakýsi kompromis mezi všestranností a rychlostí. Charakteristickým znakem kombinované architektury je společná datová a adresní sběrnice pro dva oddělené paměťové bloky, v nichž jsou uložena data a vykonávaný program. Na tuto myšlenku navazuje také procesor vykonávající postupně programové instrukce a vstupní/výstupní zařízení umožňující připojení externích akčních členů. Modifikovaná harvardská architektura se používá především v signálových procesorech a specializovaných vojenských nebo lékařských systémech.
Princetonská architektura
Princetonská architektura má jednoduchou strukturu založenou na sdílené paměti pro data a program, na procesoru, který zpracovává data na základě načtené instrukce, a vstupních/výstupních zařízeních, která komunikují s vnějším světem. Charakteristickým znakem této koncepce konstrukce počítače je společná sběrnice pro všechny součásti systému. Tím se liší od von Neumannovy myšlenky.
Tento typ architektury se používal ve starších osobních počítačích a dnes se s ním setkáváme v jednoduchých mikrokontrolérech a vestavěných systémech, kde rychlost provozu a zpracování dat není klíčová.
Harvardsko-princetonská architektura
Další variantou počítačové architektury je harvardsko-princentonský koncept, který kombinuje vlastnosti obou popsaných modelů. Je zde jediná sběrnice pro všechny součásti systému spolu s oddělenými paměťovými bloky, které uchovávají data a postupně prováděné instrukce programu. Systém je navíc vybaven procesorem pro zpracování dat a vstupními/výstupními zařízeními.
Harvardsko-princetonská architektura se používá poměrně zřídka, ale můžeme ji najít v některých procesorech DSP. Její výhodou je paralelní zpracování dat a jednoduchost daná použitím jediné sběrnice. Je však třeba mít na paměti, že systém založený na této myšlence bude ve srovnání s klasickou harvardskou architekturou pomalejší.
Transfer Multisort Elektronik (TME) je jedním z největších globálních distributorů elektronických komponent, elektrotechniky, vybavení dílen a průmyslové automatizace. Katalog obsahuje více než 1 500 000 produktů od 1 300 předních výrobců. Moderní logistická centra TME v Lodži a Rzgóvu (Polsko), s celkovou plochou přes 40 000 m², každý den odesílají téměř 6 000 balíků zákazníkům ve více než 150 zemích.
TME rovněž investuje do rozvoje znalostí a dovedností mladých inženýrů a nadšenců do elektroniky prostřednictvím projektu TME Education a podporuje technologickou komunitu organizováním série TechMasterEvent, která prosazuje inovace a výměnu zkušeností.
