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Wenn du auf dem Handy Musik hörst, führt ein kleiner Computer ständig Arbeitsaufträge aus und verarbeitet dabei Werte. Beides soll möglichst ohne Warten passieren. Die Harvard-Architektur ist ein Bauplan, der dafür getrennte Wege nutzt.
- Du erklärst den Grundaufbau der Harvard-Architektur.
- Du unterscheidest Befehle und Daten.
- Du vergleichst sie mit der Von-Neumann-Architektur.
- Du nennst passende Einsatzbereiche.
Befehle und Daten
Ein Prozessor ist der Teil eines Computers, der Befehle ausführt und Daten verarbeitet. Damit er arbeiten kann, braucht er zwei verschiedene Arten von Informationen.
Ein Befehl ist ein Arbeitsauftrag für den Prozessor, zum Beispiel „addiere zwei Zahlen“. Daten sind die Informationen, mit denen der Prozessor arbeitet, zum Beispiel eine Zahl, ein Tastendruck oder ein Messwert.
Ein digitales Thermometer soll die Temperatur anzeigen.
Der Befehl lautet: Lies den Sensor aus.
Die Daten sind zum Beispiel: 21,5 Grad.
Ein weiterer Befehl lautet: Zeige den Wert auf dem Display an.
Befehle sagen, was zu tun ist. Daten sind die Informationen, mit denen gearbeitet wird.
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Zwei getrennte Speicher
Ein Speicher ist ein Bereich, in dem ein Computer Informationen ablegt. Bei der Harvard-Architektur gibt es zwei getrennte Speicher: den Programmspeicher für Befehle und den Datenspeicher für Daten.
Der Prozessor liest aus dem Programmspeicher, welcher Schritt als Nächstes folgt. Aus dem Datenspeicher holt er Werte oder legt neue Werte dort ab.
Ein Mikrocontroller steuert eine Ampel.
Im Programmspeicher steht die Reihenfolge: Rot einschalten, warten, Rot und Gelb einschalten, Grün einschalten.
Im Datenspeicher liegen aktuelle Werte, etwa die vergangene Grünphase oder ein gedrückter Taster.
In der Harvard-Architektur haben Befehle und Daten verschiedene Speicherplätze.
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Zwei Wege zum Prozessor
Damit Informationen zum Prozessor gelangen, braucht der Computer Verbindungen. Ein Bus ist eine Verbindung, die Informationen zwischen Bauteilen transportiert. Diese Informationen bestehen aus Bits, den kleinsten Informationseinheiten mit dem Wert 0 oder 1.
Bei der Harvard-Architektur gibt es einen Weg für Befehle und einen weiteren Weg für Daten. So kann der Prozessor einen neuen Befehl holen und gleichzeitig Daten lesen oder speichern.
Stell dir zwei Flure in einer Schule vor. Über den ersten kommen Arbeitsaufträge in den Klassenraum. Über den zweiten kommen die Materialien. Weil beide Gruppen verschiedene Flure nutzen, können sie gleichzeitig ankommen.
Getrennte Speicher und getrennte Busse ermöglichen parallele Zugriffe auf Befehle und Daten.
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Vergleich mit der Von-Neumann-Architektur
Die Von-Neumann-Architektur ist ein anderer Computerbauplan. Dort liegen Befehle und Daten zusammen in einem Speicher und nutzen meist denselben Übertragungsweg.
Müssen Befehl und Daten nacheinander über diesen gemeinsamen Weg, entsteht eine Engstelle. Diese Engstelle heißt Von-Neumann-Flaschenhals.
Ein Rechner soll zwei Zahlen addieren.
Bei einem gemeinsamen Weg muss er den Additionsbefehl und die benötigten Zahlen über denselben Weg holen. Bei getrennten Wegen kann der Befehl über den Programmweg eintreffen, während die Zahlen über den Datenweg bereitstehen.
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Typische Einsatzbereiche
Ein Mikrocontroller ist ein kleiner Computerchip, der eine feste Aufgabe steuert. Er steckt zum Beispiel in Ampeln, Waschmaschinen oder Fitnessarmbändern. Sein Programm bleibt oft gleich, während sich Messwerte und Einstellungen laufend ändern.
Ein digitaler Signalprozessor ist ein Prozessor, der besonders schnell Signale wie Ton, Bild oder Funksignale verarbeitet. Die getrennten Wege helfen, wenn fortlaufend neue Werte ankommen.
Ein Fitnessarmband misst deinen Puls. Das feste Programm bestimmt, wie der Sensor ausgelesen wird. Die wechselnden Pulswerte sind Daten. Diese klare Trennung passt gut zu einem Mikrocontroller.
Mikrocontroller steuern feste Aufgaben. Digitale Signalprozessoren verarbeiten schnell viele Signalwerte.
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Moderne Mischformen
Viele moderne Prozessoren nutzen keine reine Harvard-Architektur. Sie verwenden oft getrennte schnelle Zwischenspeicher für Befehle und Daten. Ein Cache ist ein kleiner, besonders schneller Speicher nahe am Prozessor.
Diese Bauweise nennt man modifizierte Harvard-Architektur. Weiter außen kann trotzdem ein gemeinsamer Hauptspeicher liegen.
Ein Prozessor findet einen häufig benötigten Befehl im Befehlscache und einen Wert im Datencache. Beide können schnell bereitstehen, obwohl weiter außen ein gemeinsamer Arbeitsspeicher verwendet wird.
Eine modifizierte Harvard-Architektur verbindet getrennte schnelle Zwischenspeicher mit einem oft gemeinsamen Hauptspeicher.
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Zusammenfassung
Die Harvard-Architektur trennt Befehle und Daten. Befehle liegen im Programmspeicher, Daten im Datenspeicher. Eigene Busse erlauben parallele Zugriffe.
Dadurch kann der Prozessor bei vielen Aufgaben weniger warten als bei einem gemeinsamen Weg. Das Prinzip ist besonders bei Mikrocontrollern und digitalen Signalprozessoren nützlich. Moderne Prozessoren nutzen es oft in modifizierter Form mit getrennten Caches.