Este documento describe y compara las arquitecturas de Von Neumann y Harvard. La arquitectura de Von Neumann utiliza una sola memoria para almacenar tanto el programa como los datos, mientras que la arquitectura de Harvard mantiene las memorias de programa y datos separadas. Aunque la arquitectura de Harvard puede evitar el "cuello de botella de Von Neumann", su mayor complejidad solo compensa en ciertos casos específicos como los procesadores de señal. La mayoría de los ordenadores modernos siguen la arquitectura de Von Neumann.

1. UNIVERSIDAD DE LAS AMERICAS
ARQUITECTURA DEL COMPUTADOR
Autor: Puchaicela Jefferson Ricardo

2. UNIVERSIDAD DE LAS AMERICAS
ARQUITECTURA DE VON NEUMAN
Como se verá posteriormente, la arquitectura de un computador define su
comportamiento funcional.
·Von Neumann estableció en 1945 un modelo de computador, que se considera
todavía como la arquitectura básica de los computadores digitales. En la figura se
muestra la estructura general de un computador con arquitectura Von Neumann.
Se compone de las siguientes unidades o bloques:
Unidad de Memoria Principal.
Unidad Aritmético-lógica.
Unidad de Control.
Unidad de Entrada/Salida.
En general, la función esencial de la máquina de Von Neumann, como la de
cualquier computador, es procesar información. Para ello, necesita saber el tipo de
procesamiento y los datos que utilizará.
El tipo se especifica mediante un programa, que es un conjunto de instrucciones u
órdenes elementales, denominadas instrucciones máquina, que ejecuta el
computador (Aritméticas: suma, resta, multiplicación, división...,Lógicas: AND, OR,
NOT, XOR ..., Transferencia de datos: cargar, almacenar, transferir ..., Saltos y
Bifurcaciones condicionales, etc).Por tanto, se necesita un soporte que almacene
tanto el programa como los datos. El bloque de Memoria Principal interna es el
que realiza esta función.
Puchaicela Jefferson Ricardo

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El problema es que ese "programa" no estaba en un disco duro como hoy en día...
El programa consistía en recombinar los circuitos... es decir... reordenarlos. Si
para programar un cálculo había que hacer primero una suma y luego una resta
era necesario reordenar los cables que salían de un circuito sumador para que
entraran en un circuito restador. Casí casi... me atrevería a decir que aquellas
máquinas no eran exactamente programables, en el sentido en que lo entendemos
hoy, sino reconfigurables. Sus circuitos podían reutilizarse pero a costa de
reordenar los cables para cada nuevo cálculo.
Eso llevaba muchos días de planificación y pruebas cada vez que había que
"programar" un nuevo cálculo. Cuenta la leyenda que para la operatoria del
ordenador ENIAC, a mediados de los 40, seis operadoras-programadoras con
conocimientos y habilidades específicos estaban encargadas de estas labores, y
parte de su trabajo consistía en esa reordenación de circuitos, cableándolos al
estilo de las viejas centralitas de teléfono.
Los datos de entrada y los resultados de salida de ese rudimentario programa
cableado se almacenaban en algún tipo de memoria (tarjetas perforadas, etc)...
pero el "programa" no estaba realmente almacenado... el programa (o al menos
una buena parte) dependía del recableado de los circuitos.
En ese sentido, ya estaba claro que el siguiente paso: no tener que re cablear. Era
obvio que lo siguiente por hacer tenía que pasar por almacenar de alguna manera
una secuencia de operaciones que llevaran a la resolución de los cálculos... una
forma de utilizar los circuitos aritméticos y lógicos en secuencia, uno tras otro...
según correspondiera para obtener los cálculos deseados. El truco debía ser, sin
duda, activar un circuito dándole unos datos de entrada, y almacenar los datos de
salida temporalmente para que fueran los datos de entrada de otro circuito, en
pasos bien definidos... en efecto... eso es un programa.
La idea pues, de la arquitectura de Von Neumann es esta: utilizar una sola
memoria, en la cual se almacene ese programa en forma de instrucciones
(codificadas numéricamente, desde luego), acompañadas de la localización de los
operadnos o datos necesarios para llevar a cabo esa instrucción. La localización
de los operadnos, es decir, el lugar donde deben guardarse los valores y los
resultados también estará en la misma memoria.
La idea ha evolucionado hasta nuestros días con el mismo esquema básico,
aunque lógicamente, con un nivel de complejidad mucho mayor.
Puchaicela Jefferson Ricardo

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ARQUITECTURA DE HARVARD
La arquitectura Harvard cuenta con la memoria de programa y la memoria de
datos separado y solo accesible a través de buses distintos. El PIC16FXXX cuenta
con un bus de datos de 14-bits para acceder a la memoria de programas y un bus
independiente de 8-bits para acceder a la memoria de datos. Esto mejora el ancho
de banda en relación a la arquitectura tradicional de Von-Neumann, en la cual en
la cual memoria de programa y la memoria de datos son accedidas a través del
mismo bus.
Esta arquitectura ofrece la posibilidad de poder acceder a una sola instrucción en
un ciclo de reloj. Mientras la memoria de programa es accedida la memoria de
datos esta en un bus independiente y puede ser leída y escrita. Esta separación
de buses permite que una instrucción sea ejecutada mientras la siguiente es
extraída.
CARACTERISTICAS
Su procesador es segmentado, "pipe-line".
Su procesador es tipo RISC
Tiene una arquitectura HARVARD
El formato de las instrucciones es ortogonal
Todas las instrucciones tienen la misma longitud (14 bits)
La arquitectura está basada en banco de registros
Puchaicela Jefferson Ricardo

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Está claro que se hacía necesario almacenar un programa en forma de una
secuencia de instrucciones, pero a diferencia de la arquitectura de Von Neumann,
en la arquitectura Harvard se propone que el programa esté totalmente separado
de los datos con los que trabaja: es decir, el programa en una memoria, y los
datos en otra memoria independiente.
Es una idea... pero plantea algunos problemas en su construcción y su
rendimiento. Por un lado, hay que duplicar los sistemas de comunicación entre la
CPU y la memoria, lo cual hace más complejo su diseño... pero por otro, y más
importante, es que las memorias de hoy en día no son demasiado rápidas si
comparamos su funcionamiento con la CPU. Es decir, llevar o traer cosas desde y
hacia la memoria es bastante más lento que realizar una operación de la CPU.
En la arquitectura de von Neumann se producen en la CPU una cierta
ralentización debido a que instrucciones desde la memoria junto con los datos
deben pasar por un único canal (el bus de memoria). A este efecto se le conoce
como "el cuello de botella de Von Neumann".
La arquitectura Harvard puede evitarlo en cierto modo, pero su mayor complejidad
sólo compensa cuando el flujo de instrucciones y de datos es más o menos el
mismo. Por eso no es ampliamente utilizada en ordenadores de propósito general.
Sin embargo, sí se utiliza en algunos casos para construir procesadores de señal
(DSP)... unos circuitos que realizan el tratamiento digital de una señal (por
ejemplo, audio o vídeo), realizando cálculos una y otra vez sobre las muestras que
componen la señal.
Puchaicela Jefferson Ricardo