Harvard vs Von Neumann

Application : extrait du sujet de bac polynésie 2021, partie architecture #

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L’architecture des microprocesseurs #

Nous avons rencontré l’architecture de Von Neumann.

Dans celle-ci, la mémoire est unique. Elle permet d’enregistrer à la fois les instructions et les données.

Ce n’est pas la seule architecture employée actuellement.

Il existe aussi l’architecture de Harvard dont l’usage est généralement reservé aux microcontrôleurs.

Architecture de Harvard #

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Comparaison à l’architecture de Von Neumann #

• l’architecture de Von Neumann n’utilise qu’une seule mémoire pour enregistrer ses programmes et ses données.
• l’architecture de Harvard utilise deux mémoires différentes (et donc deux bus différents).

Programme se modifiant lui même #

L’intérêt majeur de l’archicture de Von Neumann est de pouvoir modifier (installer, effacer, mettre à jour etc.) les programmes qui sont traités comme des données. C’est indispensable pour disposer d’un système d’exploitation complet.

Généralement, la mémoire “programme” d’une architecture de Harvard est une ROM (Read Only Memory). Le programme ne peut se modifier lui même. Cela empêche les mises à jour des programmes autrement qu’en mettant la ROM à jour (flashage). On ne peut utiliser d’OS grand public sur une architecture de Harvard.

Est-ce mieux ? #

Cela dépend des contextes !

• L’architecture de Von Neumann est plus souple, on peut l’employer avec peu d’instructions, beaucoup d’instructions, peu de mémoire, beaucoup de mémoire…
• L’architecture de Harvard est spécifique et demande d’anticiper l’usage durant la phase de conception du processeur. Si on ne tire pas partie de cette simultanéité, alors elle ne fait que compliquer le développement.

Notons que les deux familles de processeurs qu’on rencontre dans la majorité des machines modernes grands publics (ARM vs x86 ou, pour simplifier, Mobile vs PC) ont un nombre d’instructions très différent.

Les processeurs ARM disposent de peu d’instructions contrairement aux processeurs x86 qui en ont beaucoup. L’architecture de Von Neumann permet de modéliser ces deux types de processeurs facilement.

C’est la raison pour laquelle on réserve l’architecture de Harvard à des contextes très spécifiques.

Est-ce utilisé ? Microcontôleur vs Microprocesseur #

Pour faire très simple :

• les deux architectures sont utilisées
• parfois dans un seul processeur

Dans les “ordinateurs” (smartphone, PC, Mac, Consoles etc.) on utilise des microprocesseurs. Ils doivent être disposés sur une carte comportant les autres éléments : mémoire, entrées sorties etc. Dans cette situation on emploie l’archicture de Von Neumann.

Dans les machines spécifiques (contrôleurs embarqués dans les micro-ondes, enceintes, puces wifi, contrôleur d’une pompe à injection etc.) l’usage est spécifique et on utilise des microcontrôleurs. La quantité de mémoire nécessaire est bien moindre et ces machines n’évoluent généralement pas. Il est plus simple de les remplacer directement. On emploie alors une architecture de Harvard afin d’accélérer les traitements particuliers.

Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ? #

Un microcontrôleur (en notation abrégée µc, ou uc ou encore MCU en anglais) est un circuit intégré qui rassemble les éléments essentiels d’un ordinateur : processeur, mémoires (mémoire morte et mémoire vive), unités périphériques et interfaces d’entrées-sorties. Les microcontrôleurs se caractérisent par un plus haut degré d’intégration, une plus faible consommation électrique, une vitesse de fonctionnement plus faible (de quelques mégahertz jusqu’à plus d’un gigahertz) et un coût réduit par rapport aux microprocesseurs polyvalents utilisés dans les ordinateurs personnels.

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Par rapport à des systèmes électroniques à base de microprocesseurs et autres composants séparés, les microcontrôleurs permettent de diminuer la taille, la consommation électrique et le coût des produits. Ils ont ainsi permis de démocratiser l’utilisation de l’informatique dans un grand nombre de produits et de procédés.

Les microcontrôleurs sont fréquemment utilisés dans les systèmes embarqués, comme les contrôleurs des moteurs automobiles, les télécommandes, les appareils de bureau, l’électroménager, les jouets, la téléphonie mobile, etc.

Rappels : microprocesseur #

Ils disposent de mémoire en dehors du cache présent sur la puce.

L’ordinateur boot à l’aide d’un petit programme en mémoire ROM, charge ses programmes dans la RAM qui contient aussi les données. Les programems sont exécutés depuis la mémoire qui occupe généralement quelques gigaoctets.

Cela engendre un problème appelé “von Neumann bottleneck”, la vitesse de transfert entre la mémoire et le CPU étant limitée. L’usage de la mémoire est limité par ce goulot d’étranglement. Cela ralenti considérablement l’exécution de tâches très simples sur de grandes quantités de mémoire (ajouter 1 à 3000 nombres différents).

Depuis la fin des années 70 de nombreuses solutions sont mises en oeuvre pour améliorer l’architecture de Von Neumann (utilisation du cache, anticiper le résultat d’une instruction, concentrer la mémoire à proximité du CPU etc.)

L’utilisation de l’architecture de Harvard est une réponse à ce problème.

Mais… ça vaut le coup d’avoir une seule mémoire ? #

Considérer les programmes comme des données est ce qui permet de développer des programmes. Sans ça, il n’est pas possible d’assembler, de compiler, de lier, de charger les programmes. Il n’y a donc pas de langage informatique, seulement des instructions qu’on suit les unes à la suite des autres.

Ainsi, on programme les microcontrôleurs depuis un ordinateur. Une fois le programme écrit il est traduit en code machine spécifique au microcontroleur et chargé dans celui-ci.

TLDR #

Les microprocesseurs peuvent modifier leurs propres programmes. En conséquence ils sont universels et peuvent exécuter n’importe quel programme.

Les microcontroleurs ne peuvent modifier leurs programmes. Ils font généralement une seule chose mais très vite… ou alors en consommant très peu de ressources.

Marchés #

Marché des microprocesseurs en 2020 : 2.3 milliards d’unités produites

Marché des microcontrôleurs en 2020 : 27 milliards d’unités produites… soit douze fois plus.

Dernières donnée : dans une voiture moderne, on trouve une centaine de microcontroleurs… mais aussi des microprocesseurs.

Historique #

Le nom de l’architecture de Harvard vient du nom de l’université Harvard où une telle architecture a été mise en pratique pour la première fois avec le Mark I en 1944.

Usage de l’architecture de Harvard #

Processeur de signal numérique (DSP) #

Un DSP (de l’anglais « Digital Signal Processor », qu’on pourrait traduire par “processeur de signal numérique” ou “traitement numérique de signal”) est un microprocesseur optimisé pour exécuter des applications de traitement numérique du signal (filtrage, extraction de signaux, etc.) le plus rapidement possible.

Les DSP sont utilisés dans la plupart des applications du traitement numérique du signal en temps réel. On les trouve dans les modems (modem RTC, modem ADSL), les téléphones mobiles, les appareils multimédia (lecteur MP3), les récepteurs GPS… Ils sont également utilisés dans des systèmes vidéo, les chaînes de traitement de son, partout où l’on reçoit un signal complexe que l’on doit modifier à l’aide du filtrage.

Signal ? #

Si l’informatique ne traite que des 1 et des 0, le monde qui nous entoure est différent. L’information (la voix, la lumière, le rayonnement) circule sous la forme d’ondes (éléctromagnétique pour la lumière, la radio etc., mécanique pour le son). Afin de capter ces ondes (photographie, microphone, téléphone analogique) ou de les émettre (écran, enceintes) il convient de transformer ce signal analogique (ondes) en numérique (0/1) et inversement.

Par opposition à un traitement de texte ou une base de donnée, le traitement du signal nécessite beaucoup d’opérations mathématiques

Intérêt #

Nombre de cycles nécessaires pour réaliser une opération courante #

L’architecture de Von Neumann n’emploie qu’un bus, c’est une contrainte supplémentaire : les opérations doivent être planifiées car elles ne peuvent être réalisées en même temps. Ainsi c = a + b nécessite de :

• lire la valeur de a,
• lire la valeur de b,
• calculer a + b,
• écrire la valeur de c.

L’architecture de Harvard permet d’accéder à la fois aux données et aux instructions simultanément.

Ainsi, c = a + b nécessite de :

• lire la valeur de a,
• lire la valeur de b ET calculer a + b en même temps,
• écrire la valeur de c.

La différence est modeste, mais répétée des milliards de fois par seconde…

Conclusion #

Spécialiser les machines permet de les rendre plus rapides ou plus économes. En contrepartie, on perd la souplesse d’usage et on complexifie leur conception.

Selon qu’on souhaite créer un processeur généraliste, capable d’écrire un programme et de l’optimiser et surtout de faire n’importe quoi (microprocesseur) ou un processeur spécifique dont la fonction est généralement unique (microcontroleur) on privilégie une architecture (Von Neumann) ou une autre (Harvard).