Arquiteturas Computacionais Von Neumann e Harvard!

Por: Carlos Eduardo Martins dos Santos

Abril/2011

História, estrutura, aplicação e principais diferenças entre a arquitetura Von Neumann e Harvard!

Entre os anos de 1943 e 1946, na Universidade Estadual da Pensilvânia surgia o primeiro computador eletrônico digital o ENIAC, criado pelos cientistas norte-americanos John Eckert e John Mauchly, da Electronic Control Company, e financiado pelo exército dos EUA durante a II Guerra Mundial, tendo como objetivo o auxilio nos cálculos de precisão necessários para a balística, O mesmo só se tornou operacional após o final da guerra. Antes de concluírem o projeto do ENIAC, no ano de 1944 os cientistas John Eckert e John Mauchly propuseram a construção de uma nova máquina, com o nome EDVAC, que deveria suceder o ENIAC, esta nova maquina propunha uma serie de novas características operacionais, nesse cenário surge o matemático húngaro (naturalizado americano) John Von Neumann que foi integrado à equipe de John Eckert e John Mauchly sendo contratado como consultor matemático do projeto EDVAC, em meados do ano 1945 Neumann escreveu o artigo intitulado  First Draft of a Report on the EDVAC, que descrevia sucintamente o funcionamento de seus componentes, bem como os situando dentro de uma estrutura lógica e matemática, lançando assim a base da arquitetura de construção de todos os  computadores comercialmente disponíveis até os dias atuais , e ficou conhecida daí em diante (para desgosto de Mauchly e Eckert) como arquitetura Von Neumann.

A arquitetura Von Neumann

Computadores como o ENIAC tinham que ser fisicamente religados a fim de realizar diferentes tarefas, por isso estas máquinas são referidas como "computadores de programa fixo", Ainda hoje existem computadores muito simples que utilizam este projeto, para finalidade de simplicidade ou de formação. Por exemplo, uma calculadora de mesa (em princípio) é um programa de computador fixo, ela faz apenas a matemática básica, mas não pode ser usada como um processador de texto ou um console de jogos, para se alterar um programa de uma máquina de programa fixo e necessário uma re-ligação, re-estruturação ou então e necessário re-projetar a máquina. Os primeiros computadores eram assim, para alterar um programa era um trabalho penoso que começava com fluxogramas e cédulas de papel, seguido de desenhos detalhados de engenharia e, em seguida o trabalhoso processo físico de re-ligação e re-construção da maquina, Podendo levar quase um mês para começar a trabalhar. A máquina proposta por Von Neumann mudou tudo isso, ela propôs um computador composto por uma estrutura simples, mas fixa com um controle programado, que seria capaz de executar qualquer comando “através de programas armazenados na memória” ou modificar os programas durante a execução sem haver necessidade de se alterar o hardware (a sua idéia era a técnica do programa-guardado). A Arquitetura de Von Neumann (de John Von Neumann) é uma arquitetura de computador que se caracteriza pela possibilidade de uma máquina digital armazenar seus programas no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim manipular tais programas.

Os componentes propostos por John Von Neumann são:

- Uma Memória;

- Uma Unidade lógica e aritmética (ALU);

- Uma Unidade Central de processamento (CPU); Composta por diversos registradores.

- Uma Unidade de controle (CU); Cuja função e a mesma da tabela de controle da Máquina de Turing universal: buscar um programa na memória, instrução por instrução, e executá-lo sobre os dados de entrada.

Cada um dos elementos apresentados é realizado à custa de componentes físicos independentes, cuja implementação tem variado ao longo do tempo! Microprocessadores com arquitetura Von Neumann são também conhecidos como "microprocessadores CISC" (Computador com Conjunto complexo de Instruções).

Arquitetura Harvard

As raízes da arquitetura Harvard se originam na Universidade de Harvard com o projeto do computador Harvard Mark I que foi criado entre 1937 a 1944, durante a II Guerra Mundial, idealizado por Howard Aiken com o apoio da IBM e da marinha norte americana foi considerado o primeiro projeto de computador. Utilizava muitas válvulas, as operações internas eram controladas por relés e os cálculos eram realizados mecanicamente. Integrava conceitos de computadores digitais e analógicos, pois tinha sistema eletrônico e mecânico na mesma máquina. H. Aiken, o pesquisador que desenvolveu Mark I, construiu outras versões deste computador (Mark II a Mark IV).

Apesar de ter se originado do Mark I, a arquitetura Harvard só foi novamente impulsionada a partir da década de 70 com a criação de circuitos integrados por diversas empresas do segmento como a Signetics, que criou o dispositivo 8x300, a intel com o 8048, a General Instruments para uso como interface controladora de periféricos (PIC) que foi projetada para compensar o fraco barramento de I/O da sua CPU CP1600 de 16 bits. A divisão de microeletrônica foi depois transformada na Arizona Microchip Technology (por volta de 1985), com os PICs como seu produto principal, etc... Antes disso, a arquitetura Harvard tinha sido apenas uma curiosidade científica desde a sua invenção pela Universidade de Harvard. Numa competição criada pelo departamento de Defesa que colocou Princeton contra Harvard, Princeton ganhou a competição porque o tempo médio entre falhas (MTBF) da sua arquitetura de memória mais simples era muito melhor, embora mais lenta que a proposta de Harvard. Com o desenvolvimento dos transistores e dos circuitos integrados, a arquitetura Harvard finalmente foi reconhecida. A Microchip fez melhoramentos na arquitetura original, e atualizou os blocos funcionais do projeto original com avanços modernos que estão em compasso com os processos arquitetônicos existentes e capacitados pelo baixo custo dos semicondutores.

A Arquitetura Harvard se baseia na separação de barramentos de dados das memórias onde estão às instruções de programa e das memórias de dados, permitindo que um processador possa acessar as duas simultaneamente, obtendo um desempenho melhor do que a da Arquitetura de Von Neumann, pois pode também estar buscando uma nova instrução enquanto está executando outra.

Os microcontroladores com arquitetura Harvard são também conhecidos como "microcontroladores RISC" (Computador com Conjunto Reduzido de Instruções).

Atualmente a Arquitetura Harvard é utilizada em processamento de sinal digital especializados (DSP), normalmente por produtos de áudio e vídeo de transformação. E nos chamados “sistemas embarcados” que utilizam pequenos microcontroladores que  são componentes bastante versátil, podendo através de sua programação ter diversas aplicações. O mesmo pode realizar desde o controle da velocidade e posição de um guindaste até o controle das lâmpadas decorativas de uma árvore de natal. Basicamente, o modo de operação irá variar de acordo com a necessidade do usuário. Entre outras aplicações de um microcontrolador podemos citar automação industrial, controle de telefones celulares, microondas, maquinas de lavar etc....

Arquitetura Harvard Modificada

A Arquitetura de Harvard Modificada é uma variante da Arquitetura de Harvard, As modificações consistem em incluir no seu modelo, fatores típicos da arquitetura de Von Neumann, tais como permitir que o conteúdo da memória de programa seja acessado como se fosse memória de dados. Atualmente, a maioria dos computadores designados com sendo da Arquitetura de Harvard, têm na realidade a Arquitectura de Harvard Modificada.

 Principais diferenças entre a arquitetura Von Neumann e Harvard!

1- Nos dias atuais a arquitetura Von Neumann e mais utilizada em PCs e a arquitetura Harvard e mais utilizada em microcontroladores (sistemas embarcados) e DSPs, (do inglês Digital Signal Processor, são microprocessadores especializados em processamento digital de sinal usados para processar sinais de áudio, vídeo, etc., quer em tempo real ou off-line)!

2- Na arquitetura Von Neumann e utilizado o mesmo espaço de memória para armazenar os dados e programas, já na arquitetura Harvard, e separado o armazenamento e o comportamento das instruções do CPU!

3- A arquitetura Von Neumann e mais lenta, pois não permite acesso simultâneo às memórias, ao contrário da Harvard que por possuir caminhos de dados e de instrução distintos proporcionam maior velocidade de processamento, pois enquanto a CPU processa uma informação, outra nova informação está sendo buscada, de forma sucessiva.

4- A arquitetura Von Neumann utiliza "microprocessadores CISC" (Computador com um Conjunto Complexo de Instruções), já a arquitetura Harvard utiliza "microcontroladores RISC" (Computador com Conjunto Reduzido de Instruções).

Beneficiados pelos avanços da tecnologia de fabricação e pelo elevado grau de miniaturização dos chips, muitas inclusões foram feitas aos modelos de Von Neumann e de Harvard, no entanto, a essência de suas proposições estão mantidas até os dias de hoje.