Architettura Harvard
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L'architettura Harvard è un'architettura che separa la memorizzazione e la trasmissioni dei dati da quella delle istruzioni. Il termine inizialmente indicava l'architettura del computer Harvard Mark I, un computer basato su relè che memorizzava le istruzioni su un nastro perforato mentre i dati venivano memorizzati in un contatore elettromeccanico a 23 cifre. Questa macchina non era dotata di un'unità di immagazzinamento dei dati, questi erano interamente memorizzati dalla CPU e il loro caricamento e salvataggio era un processo eseguito in modo manuale agendo sui contatori.
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[modifica] Dettaglio della memoria
In un'architettura Harvard le memorie per i dati e per le istruzioni possono essere anche diverse, in particolare in alcuni sistemi la larghezza di parola delle istruzioni è superiore a quella dei dati e in altri sistemi i programmi sono memorizzati in una memoria a sola lettura (ROM) mentre i dati sono normalmente in una memoria a scrittura e lettura (RAM).
[modifica] Altri modelli
In un'architettura classica di von Neumann la CPU legge le istruzioni e i dati dalla memoria utilizzando lo stesso bus, quindi quando la CPU carica un'istruzione non può contemporaneamente caricare anche un dato. In un'architettura di Harvard il processore è in grado di accedere in modo indipendente a dati e istruzioni dato che questi sono separati e memorizzati in memorie separate. Un'architettura Harvard quindi può eseguire più compiti in parallelo dato che può parallelizzare le operazioni di lettura e scrittura della memoria. L'aumento di velocità viene compensato dalla presenza di circuiti più complessi all'interno del processore.
[modifica] Velocità
Negli ultimi anni la velocità dei processori è aumentata in modo considerevole, purtroppo lo stesso non è accaduto al tempo di accesso delle memorie. Le memorie oramai sono decine di volte più lente dei processori. Se il microprocessore dovesse accedere per ogni istruzione alla memoria si avrebbe un calo terribile delle prestazioni. Per evitare questo i processori integrano al loro interno una memoria molto veloce chiamata cache. Entro la cache vengono copiati i dati e le istruzioni utilizzate più di frequente in modo da ridurre in modo determinante gli accessi alla memoria principale. Praticamente tutti i moderni processori internamente seguono l'architettura Harvard dividendo la cache in cache dati e cache istruzioni in modo da poter accedere in parallelo alle due cache e migliorare le prestazioni. Esternamente comunque i processori accedono con un solo bus alla memoria principale e quindi si comportano come la classica architettura di von Neumann.
[modifica] Utilizzi
L'architettura Harvard viene spesso utilizzata in processori specializzati come i DSP che vengono utilizzati per il trattamento dei dati audio o video. Per esempio il processore Blackfin di AMD utilizza l'architettura Harvard.
Inoltre molti microcontrollori utilizzati in applicazioni industriali utilizzano questa architettura. Per esempio il controllori PIC prodotti da Microchip Technology Inc e i controllori AVR prodotti da Atmel Corporation sono basati su architettura Harvard. Questi processori sono caratterizzati dall'avere a disposizione una memoria piccola per i dati e le istruzioni ed utilizzano l'architettura Harvard e la tecnologia reduced instruction set computer per poter eseguire la maggior parte delle istruzioni in un solo ciclo di clock. La separazione dei flussi permette a questi processori di avere lunghezza di parola diversa per i dati e per le istruzioni. Per esempio i microcontrollori PIC hanno un bus per i dati a 8 bit ma un bus per le istruzioni a 12/14 o anche a 16 bit. In questo modo possono caricare una singola istruzione e una costante con un solo caricamento dalla memoria in un solo ciclo di clock. Per esempio altre architetture RISC come l'architettura ARM tipicamente devono utilizzare due istruzioni per caricare una costante.
