Arquitectura de von Neumann y arquitectura de Harvard
Arquitectura de von Neumann y arquitectura de Harvard
Arquitectura de von Neumann y arquitectura de Harvard
Cada sistema informático se construye de acuerdo con principios de arriba hacia abajo conocidos como "arquitectura". Describe la organización y el funcionamiento de un sistema informático, incluido el procesador, la memoria, los dispositivos de entrada/salida y, a menudo, también la red. Podemos distinguir varios tipos de arquitectura, las más populares son la arquitectura de von Neumann y la arquitectura de Harvard.
- Sistemas informáticos con arquitectura von Neumann.
- Características de la arquitectura de Harvard.
- Comparación de la arquitectura de von Neumann y Harvard.
- Otras arquitecturas de sistemas informáticos.
La arquitectura de von Neumann
La arquitectura von Neumann (llamada así en honor a John von Neumann) fue creada en la década de 1940 y se basa en tres elementos básicos: procesador, memoria y dispositivos de entrada/salida.
En una computadora diseñada de esta manera, tanto el programa como los datos se almacenan en la misma memoria a la que está conectado el procesador (compuesto por un sistema de control y una unidad aritmética/lógica). Recupera instrucciones posteriores de la memoria y ejecuta las instrucciones correspondientes, implementando así el programa guardado. Los dispositivos de entrada/salida se utilizan para comunicarse con el mundo exterior. En el caso de la comunicación con el usuario, dichos dispositivos serían un monitor y un teclado, pero en muchos casos (por ejemplo, circuitos integrados) serán principalmente puertos de entrada/salida, buses serie, etc.
La arquitectura von Neumann se utiliza ampliamente en la mayoría de las computadoras modernas. Debe su popularidad principalmente a su simplicidad y universalidad. Sin embargo, hay que recordar que este modelo no está exento de desventajas: la más importante de ellas es la velocidad de funcionamiento limitada.
Arquitectura de Harvard
Al igual que el concepto de von Neumann, la arquitectura de Harvard se creó en la década de 1940. Fue propuesto por primera vez por científicos de la Universidad de Harvard. Es bastante similar a la idea de von Neumann: aquí también tenemos un procesador que ejecuta instrucciones posteriores y dispositivos de entrada/salida. La principal diferencia es la memoria. En la arquitectura de Harvard, se divide en dos elementos separados, el primero almacena datos y el segundo almacena el programa.
Esta disposición mejora la velocidad de todo el sistema. En la arquitectura von Neumann, el programa se ejecuta secuencialmente, lo que significa que el procesador, para descargar la siguiente instrucción o dato, siempre debe pasar a la siguiente ubicación de memoria. En el sistema Harvard, estos procesos se realizan en paralelo (o más bien de forma independiente), es decir, el procesador puede descargar comandos y datos utilizando espacios de direcciones separados.
Las características de la arquitectura de Harvard hacen que se utilice con frecuencia en entornos avanzados de sistemas integrados (del inglés: embedded), tales como microcontroladores, procesadores de señal (DSP) y algunas supercomputadoras. En otras palabras, dondequiera que se requiera procesamiento paralelo de instrucciones y datos, como en aplicaciones o controladores en tiempo real.
¿Qué arquitectura es mejor? ¿Arquitectura von Neumann o arquitectura Harvard?
La elección entre estas arquitecturas depende principalmente de los requisitos de un sistema determinado. El sistema von Neumann es más popular debido a su simplicidad y versatilidad. La arquitectura de Harvard es más compleja y ofrece mayor rendimiento, pero es más compleja de implementar.
La arquitectura von Neumann la podemos encontrar (aunque en una forma muy desarrollada) a diario en ordenadores personales y servidores basados en procesadores x86, como por ejemplo el Intel Core y AMD Ryzen. Además, los procesadores ARM que utilizan núcleos Cortex como ARM se basan en la idea de von Neumann. Cortex-A y Cortex-M. Este tipo de estructuras se suelen utilizar en dispositivos móviles, sistemas integrados, microcontroladores y otras aplicaciones.
La arquitectura de Harvard también ha encontrado su nicho. Usan este concepto principalmente los procesadores DSP, También llamados procesadores de señal. Un ejemplo específico podría ser la serie TMS320 de la marca Texas Instruments. Gracias al procesamiento paralelo, los procesadores DSP son excelentes para procesar señales como sonido, imágenes o señales de radio.
Otros tipos de arquitecturas
Hoy en día, las más populares son las arquitecturas de von Neumann y Harvard, pero además de ellas, también existen otros conceptos para la construcción de sistemas informáticos, entre los que se incluyen:
Arquitectura mixta
La arquitectura Harvard modificada, también llamada arquitectura mixta, combina las características de los dos modelos más populares presentados anteriormente. Se trata de una especie de compromiso entre universalidad y velocidad de funcionamiento. Un rasgo característico de la arquitectura mixta es un bus común de datos y direcciones para dos bloques de memoria separados en el que se almacenan los datos y el programa que se está ejecutando. Además, esta idea también incluye un procesador que implementa instrucciones de programa posteriores y dispositivos de entrada/salida que permiten la conexión de actuadores externos. La arquitectura Harvard modificada se utiliza principalmente en procesadores de señales y sistemas médicos o militares especializados.
Arquitectura de Princeton
La arquitectura de Princeton tiene una estructura simple, basada en una memoria compartida para datos y programas, un procesador que procesa datos basándose en las instrucciones descargadas y dispositivos de entrada/salida que se comunican con el mundo exterior. Un rasgo característico de este concepto de construcción informática es un bus común para todos los elementos del sistema. Esto lo distingue de las ideas de von Neumann.
Este tipo de arquitectura se utilizaba en ordenadores personales antiguos, y ahora podemos encontrarlo en microcontroladores sencillos y sistemas integrados, donde la velocidad de funcionamiento y procesamiento de datos no es un tema clave.
Arquitectura Harvard-Princeton
Otra variación de la arquitectura informática es el concepto Harvard-Princeton, que combina las características de los dos modelos descritos. Aquí tenemos un único bus para todos los elementos del sistema, junto con bloques de memoria separados en los que se almacenan los datos y las instrucciones posteriores del programa que se está ejecutando. Además, el sistema está equipado con un procesador de procesamiento de datos y dispositivos de entrada/salida.
La arquitectura Harvard-Princeton se utiliza muy raramente, pero se puede encontrar en algunos procesadores DSP. Su ventaja es el procesamiento de datos en paralelo y la simplicidad debido al uso de un único bus. Sin embargo, hay que recordar que un sistema basado en esta idea será más lento en comparación con la arquitectura clásica de Harvard.