При реализации микропроцессоров традиционно используется два подхода к построению архитектуры:
- Архитектура фон Неймана
- Гарвардская архитектура
В архитектуре фон Неймана применяется однородная память микропроцессора. В эту память могут записываться различные программы. При этом специальная программа-загрузчик работает с ними как с данными. Затем управление может быть передано этим программам и они уже начинают выполнять свой алгоритм. При подобном подходе к управлению микропроцессором удается достигнуть максимальной гибкости микропроцессорной системы.
В качестве недостатка архитектуры фон Неймана можно назвать возможность непреднамеренного нарушения работоспособности системы (программные ошибки) и преднамеренное уничтожение ее работы (вирусные атаки). В Гарвардской архитектуре принципиально различаются два вида памяти микропроцессора:
- Память программ (для хранения инструкций микропроцессора)
- Память данных (для временного хранения и обработки переменных)
В гарвардской архитектуре принципиально невозможно осуществить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае ошибки программы при работе с данными или атаки третьих лиц. Кроме того, для работы с памятью программ и с памятью данных организуются отдельные шины обмена данными (системные шины), как это показано на структурной схеме, приведенной на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема гарвардской архитектуры
Эти особенности определили области применения гарвардской архитектуры. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах и в сигнальных процессорах , где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. В сигнальных процессорах Гарвардская архитектура дополняется применением трехшинного операционного блока микропроцессора. Трехшинная архитектура операционного блока позволяет совместить операции считывания двух операндов с записью результата выполнения команды в оперативную память микропроцессора. Это значительно увеличивает производительность сигнального микропроцессора без увеличения его тактовой частоты.
В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти программ и памяти данных не всегда выполняются одинаковыми. В памяти данных и команд могут различаться разрядность шины данных и распределение адресов памяти. Часто адресные пространства памяти программ и памяти данных выполняют различными. Это приводит к различию разрядности шины адреса для этих видов памяти. В микроконтроллерах память программ обычно реализуется в виде постоянного запоминающего устройства, а память данных — в виде ОЗУ. В сигнальных процессорах память программ вынуждены выполнять в виде ОЗУ. Это связано с более высоким быстродействием оперативного запоминающего устройства, однако при этом в процессе работы осуществляется защита от записи в эту область памяти.
Применение двух системных шин для обращения к памяти программ и памяти данных в гарвадской архитектуре имеет два недостатка — высокую стоимость и большое количество внешних выводов микропроцессора. При использованиии двух шин для передачи команд и данных, микропроцессор должен иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть выводов микропроцессора. Для уменьшения количества выводов кристалла микропроцессора фирмы-производители микросхем объединили шины данных и шины адреса для внешней памяти данных и программ, оставив только различные сигналы управления (WR, RD, IRQ) а внутри микропроцессора сохранили классическую гарвардскую архитектуру. Такое решение получило название модифицированная гарвардская архитектура.
Модифицированная гарвардская структура применяется в современных микросхемах сигнальных процессоров. Ещё дальше по пути уменьшения стоимости кристалла за счет уменьшения площади, занимаемой системными шинами пошли производители однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В этих микросхемах применяется одна системная шина для передачи команд и данных (модифицированная гарвардская архитектура) и внутри кристалла.
В сигнальных процессорах для реализации таких алгоритмах как быстрое преобразование Фурье и цифровая фильтрация часто требуется еще большее количество внутренних шин. Обычно применяются две шины для чтения данных, одна шина для записи данных и одна шина для чтения инструкций. Подобная структура микропроцессора получила название расширенной гарвардской архитектуры. Этот подход практикуют производители сигнальных процессоров — фирмы Analog Devices (семейства сигнальных процессоров BlackFin и Tiger Shark), Texas Instrunents (семейства сигнальных процессоров C5000™ DSPs и C6000™ DSPs), Freescale (семейства сигнальных процессоров MSC8251 и DSP56K).
