Todo processador tem uma arquitetura. Ela diz respeito ao design e organização estrutural, incluindo instruções e a forma como componentes físicos são alocados no interior da CPU. Existem diferentes tipos e a Arquitetura Harvard é uma delas, uma alternativa à de Von Neumann.
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Para o usuário, a arquitetura tem a ver com o desempenho final que será entregue pelo processador, refletindo na velocidade da frequência, memória cache, entre outros aspectos. Isso vale não só para a CPU do PC, mas também celulares e outros eletrônicos que fazem uso desse tipo de componente.
A Arquitetura Harvard tem algumas peculiaridades que a difere de outras, e aqui vamos apresentá-la, abordando sua funcionalidade, vantagens e desvantagens e um comparativo com a Arquitetura de Von Neumann.
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Arquitetura Von Neumann: como funciona
John von Neumann, um físico e matemático húngaro, criou a arquitetura que leva seu nome em 1945. Seu principal destaque, especialmente na época, foi a capacidade de armazenar programas e não somente realizar cálculos. Isso acontecia através de um único barramento e memória e estabeleceu o que temos hoje em dia em PCs.
Isso levou também a um outro problema, algo que é conhecido como o “gargalo de Von Neumann”. Ele consiste em uma limitação na velocidade de transferência de dados entre a memória e o processador, já que tanto os dados quanto as instruções são armazenadas na mesma memória e buscados pelo mesmo barramento compartilhado, gerando um “congestionamento”.
O que é a Arquitetura Harvard?
Alguns anos mais velha que a Arquitetura de John von Neumann, a Arquitetura Harvard traz um conceito consideravelmente diferente e voltado para um uso mais específico. Em vez de usar a mesma memória e barramento para instruções e dados, essa tem uma mudança física importante nesse aspecto.
A Arquitetura Havard utiliza memórias separadas para dados e instruções, além de barramentos para cada uma delas, ou seja, uma mudança física e bem diferente de como a Arquitetura de Von Neumann faz. Por conta disso, é possível acessar simultaneamente os dados e as instruções.
A busca paralela por dados e instruções melhora a performance, já que não existe congestionamento de dados entre uma mesma memória e barramento. Essa, portanto, é a maior vantagem da Arquitetura Harvard.
Como a Arquitetura Harvard funciona na prática?
A Arquitetura Harvard funciona como se tivesse duas portas diferentes para buscar essas informações, uma sobre o que pegar (dados) e outra sobre como usar (instruções). Esse acesso paralelo de informações trouxe mais desempenho, já que não existe o gargalo da outra arquitetura.
Além disso, a Arquitetura de Harvard consegue fazer uso mais eficiente da memória, já que módulos para instruções e dados podem ser otimizados de forma independente, algo que não é possível na Arquitetura de Von Neumann. É como se houvesse desperdício mínimo no processamento, já que tudo é muito bem ajustado para um único propósito.
Essa possibilidade de buscar dados e instruções por caminhos diferentes proporciona ganho de performance, já que o fluxo de informações diferentes acontecem de forma paralela, acelerando as tarefas que fazem uso desse design.
Vantagens da Arquitetura Harvard
Essa mudança na forma como os dados e instruções são processados em relação à Arquitetura de Von Neumann traz algumas vantagens interessantes:
- Acesso paralelo aos dados e instruções: não é preciso esperar por um ou outro, já que ambas as informações podem ser acessadas ao mesmo tempo
- Tamanho fixo de instrução: a busca pelas instruções é mais simples por conta de seu tamanho fixo, acelerando o processamento
- Uso eficiente de memória: com a independência das memórias, existe uma otimização específica para os dados e instruções
- Mais desempenho: como dito antes, esse acesso paralelo aos dados e instruções acelera o desempenho da máquina
- Segurança: por contar com memórias e barramentos específicos para informações diferentes, a Arquitetura Harvard oferece mais segurança
Tudo isso é refletido em mais performance no fim das contas. A Arquitetura Harvard é bastante usada em sistemas embedded por conta de sua eficiência e sua capacidade de executar tarefas específicas em tempo real.
Desvantagens da Arquitetura Harvard
Por outro lado, a Arquitetura Harvard também tem suas fraquezas como qualquer tecnologia. Nesse caso, estamos falando de:
- Complexidade: por exigir mais barramentos e memórias, a construção dessa arquitetura acaba sendo mais complexa em relação à Von Neumann;
- Necessidade de mais memória: como já explicamos aqui, a Arquitetura Harvard precisa de mais memória, algo que aumenta os custos de produção;
- Gerenciamento: com os caminhos separados para dados e instruções, existe uma complexidade também no gerenciamento do tráfego dessas informações;
- Menos flexibilidade: por ser uma arquitetura voltada para aplicações bem específicas, ela não é flexível, sendo limitada para tarefas que façam uso desse design.
Onde a Arquitetura Harvard é usada?
A Arquitetura Harvard é voltada para aplicações específicas e não tem flexibilidade para uso amplo como a Arquitetura de Von Neumann. Por isso, seu foco está em sistemas embedded por conta de sua capacidade de processar informações de forma eficiente.
Ela ainda está em microcontroladores que equipam eletrodomésticos, carros, brinquedos, IoT entre outros eletrônicos. Processadores de sinal digital (DSP) também fazem uso da tecnologia por sua necessidade de processamento de operações matemáticas complexas.
Harvard vs. Von Neumann: qual é a melhor?
Decidir entre as arquiteturas Harvard e de Von Neumann é como escolher um processador: existem opções para cada necessidade. Ou seja, vai depender muito das aplicações que serão usadas. É como um Ryzen 5 voltado para uso geral como games e aplicações menos exigentes, e um Ryzen 9 para tarefas pesadas de aplicações profissionais, como edição de vídeo.
Enquanto a Arquitetura Harvard é voltada para sistemas embedded e aplicações que se beneficiam do paralelismo em processamento de instruções e dados, Von Neumann é ideal para PCs, ou seja, sistemas de propósito geral, principalmente por conta da sua flexibilidade.
Conclusão
A Arquitetura Harvard é importante por ter trazido avanços em tecnologias específicas, como microcontroladores usados por diversos eletrônicos que temos hoje em dia, além de outros segmentos que não são comuns ao usuário, mas são voltados para empresas.
Tudo isso foi possível por conta de mudanças sensíveis na forma como a CPU conversa com a memória e acessa as informações que precisa. Algo que temos em PCs tradicionais atualmente, herança da Arquitetura de Von Neumann.
O que temos hoje na indústria de tecnologia teve sua base estabelecida há muitas décadas e foi aprimorado com o tempo. A pergunta que fica é: estamos perto de uma nova era tão importante quanto a época da invenção dessas arquiteturas?
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