フォン・ノイマン アーキテクチャとハーバード アーキテクチャ (組み込み学習)

0. 序文

フォン ノイマン アーキテクチャとハーバード アーキテクチャは、コンピュータ システムに命令とデータを保存する 2 つの一般的な方法です。

フォン ノイマン アーキテクチャは、1945 年にフォン ノイマンによって提案された古典的なコンピュータ アーキテクチャです。命令とデータを同じメモリに保存し、データ転送に同じバスを使用します。ノイマン型アーキテクチャでは、コンピュータの命令とデータはメモリ内の同じアドレス空間に格納され、CPU は命令とデータをフェッチすることでプログラムを実行します。このアーキテクチャでは、プログラム メモリとデータ メモリが明確に分離されているため、メモリと CPU の間で命令とデータを自由に転送できます。最新のコンピュータ システムのほとんどはフォン ノイマン アーキテクチャを採用しています。

ハーバード アーキテクチャは、ハーバード大学によって最初に提案されたもう 1 つの一般的なコンピュータ アーキテクチャです。ハーバード アーキテクチャでは、命令メモリとデータ メモリは物理的に分離されており、データ転送には異なるバスが使用されます。命令メモリはプログラム命令を格納するために使用され、データメモリはプログラムデータを格納するために使用されます。ハーバード アーキテクチャの利点の 1 つは、命令とデータを同時にフェッチできるため、実行効率が向上することです。ただし、ハーバード アーキテクチャでは、命令とデータ用に別個のメモリが必要となるため、ハードウェアに対する要求が高くなります。

フォン ノイマン アーキテクチャとハーバード アーキテクチャは命令とデータの保存方法が異なりますが、どちらもコンピュータ システムを構築するために使用される基本原則です。現代のコンピュータ システムは、多くの場合、特定のニーズやアプリケーションに応じて適切なアーキテクチャを選択します。

1. フォン・ノイマン建築

フォン ノイマン アーキテクチャは、1940 年代に数学者フォン ノイマンによって提案された、コンピュータ システムの基本的な設計原則です。これは現代のコンピューター アーキテクチャの基礎であり、さまざまなコンピューティング デバイスで広く使用されています。

主要コンポーネント

1. 中央処理装置 (CPU): コンピューター命令の実行とコンピューター操作の制御を担当します。CPU は、算術論理演算ユニット (ALU) と制御ユニット (コントロール ユニット) で構成されます。

2. メモリ (Memory): 命令 (プログラム) とデータを保存するために使用されます。フォン ノイマン アーキテクチャでは、命令とデータは同じ物理メモリに格納され、アドレスによって区別されます。このメモリはランダム アクセス メモリ (Random Access Memory、RAM) と呼ばれます。

3. 入出力デバイス: キーボード、マウス、モニター、プリンターなどの外部環境と対話するために使用されます。入出力装置は、入出力コントローラ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を介してコンピュータシステムに接続される。

4. コントロール ユニット (コントロール ユニット): 命令の解析と実行、およびコンピューター システムのさまざまなコンポーネントの調整を担当します。制御ユニットはメモリから命令をフェッチし、それらをオペコードとオペランドにデコードし、対応する演算を実行するように ALU を制御します。

5. データ バス (データ バス): さまざまなコンポーネント間でデータを転送するために使用されます。データ バスは、複数ビットのデータを同時に送信できる並列のワイヤまたはワイヤのセットです。

6. アドレス バス (アドレス バス): メモリ内のアドレス位置を示すために使用されます。アドレス バスは、並列した一連のワイヤまたは導体であり、その幅によってメモリのアドレス指定範囲が決まります。

7. コントロールバス (Control Bus): 制御信号の送信に使用されます。制御バスには、クロック信号、読み取りおよび書き込み信号、割り込み信号などのさまざまな制御信号が含まれており、コンピュータ システムの動作を調整するために使用されます。

ノイマン型アーキテクチャでは、プログラムとデータはバイナリ形式でメモリに格納され、制御ユニットを通じて命令がメモリからフェッチされ、命令のオペレーションコードに従って対応する操作が実行されます。このアーキテクチャの強みは、そのシンプルさ、多用途性、柔軟性であり、コンピュータがさまざまな種類のタスクを実行できるようにし、プログラムの変更や更新ができるように保存されたプログラムの概念をサポートしています。

制限と課題

ノイマン型アーキテクチャでは、命令とデータをメモリに順次格納し、共有データ バスを介して転送する必要があります。これは、命令とデータのフェッチとストアを厳密な順序で実行する必要があることを意味し、これがメモリのボトルネックやパフォーマンスの制限につながる可能性があります。さらに、命令とデータはメモリの同じブロックに格納されるため、データや命令にアクセスするときに競合状態が発生し、パフォーマンスの低下につながる可能性があります。

もう 1 つの制限は、フォン ノイマン アーキテクチャの逐次実行の性質です。命令は厳密な順序で実行する必要があり、複数の命令を並行して実行することはできません。これにより、場合によっては、特に高度な並列処理を必要とするアプリケーションの場合、コンピューターのパフォーマンスが制限される可能性があります。

いくつかの制限はあるものの、フォン ノイマン アーキテクチャは依然としてコンピューター設計において最も基本的かつ一般的なアーキテクチャの 1 つです。実際、汎用コンピュータやパーソナル コンピュータの大部分はフォン ノイマン アーキテクチャを使用しています。最新のコンピューター アーキテクチャおよびアーキテクチャの多くは、フォン ノイマン アーキテクチャに基づいており、パフォーマンスと並列処理機能を向上させるための拡張機能や改良が加えられています。

フォン ノイマン アーキテクチャは、コンピュータ システムの基本的な構成と動作原理を提供し、コンピュータ開発の基礎を築きます。そのシンプルさ、汎用性、拡張性により、コンピューターは幅広いタスクを実行できるようになり、現代のテクノロジーと情報時代の基礎となっています。

2. ハーバード大学の建築

ハーバード アーキテクチャは、フォン ノイマン アーキテクチャとは対照的なコンピュータ アーキテクチャです。これは、1940 年代にハーバード コンピュータ研究所によって開発された Harvard Mark I コンピュータに基づいており、それにちなんで名付けられました。ハーバード アーキテクチャの主な特徴は、命令メモリとデータ メモリが分離されており、それぞれが独立した物理アドレス空間を持っているため、命令とデータの並列アクセスが可能であることです。

主要コンポーネント

1. 命令メモリ (プログラムメモリ):

   • 命令メモリは、コンピュータ命令 (プログラム) の保存専用です。
   • データ メモリとは別に、独自の物理アドレス空間を持っています。
   • 命令メモリに格納された命令は、プロセッサによってアクセスして実行できます。

2. データストレージ：

   • データ メモリは、変数、配列などのコンピュータ データを保存するために使用されます。
   • 命令メモリと同様に、データ メモリにも別の物理アドレス空間があります。
   • データ メモリに保存されたデータは、プロセッサによって読み書きできます。

3. データバスとコマンドバス:

   • データ バスは、データ メモリとプロセッサの間でデータを転送するために使用されます。
   • 命令バスは、命令メモリとプロセッサの間で命令を転送するために使用されます。
   • 通常、ハーバード アーキテクチャには個別のデータ バスと命令バスがあります。

4. コントロールユニット：

   • 制御ユニットはプロセッサの中核コンポーネントであり、コンピュータの動作を指示および制御する役割を果たします。
   • 命令メモリから命令を読み取り、それをオペコードとオペランドに解析します。
   • 制御ユニットは、命令のオペコードに従って、算術演算や論理演算などの対応する演算を実行します。

ハーバード アーキテクチャの利点は、並列処理と高い効率にあります。命令メモリとデータメモリが分離されているため、命令とデータの読み出しと格納を同時に行うことができます。この並列アクセスにより、コンピュータ システムはより効率的に命令を実行し、データを処理できるようになり、システムのパフォーマンスとスループットが向上します。

もう 1 つの利点は、ハーバード アーキテクチャのセキュリティです。命令とデータは別々に保存されるため、プログラムは命令メモリの内容を直接変更することができず、悪意のあるコードによる命令実行プロセスの変更を防ぐための一定の保護手段が提供されます。

制限と課題

1. 自己書き換えコードの制限:
   ハーバード アーキテクチャでは、命令メモリとデータ メモリが分離されているため、命令メモリにアクセスして変更する機能が制限されています。自己変更コードとは、プログラムが実行中に自身の命令を変更できる機能を指します。ハーバード アーキテクチャでは、プログラムによって命令メモリを直接変更できないため、自己変更コードを実装するのは比較的困難です。これにより、一部の動的コード生成やジャストインタイム コンパイル アプリケーションなど、一部の特定のアプリケーション シナリオが制限されます。

2. 命令とデータの相互作用の複雑さ:
   命令メモリとデータ メモリが分離されているため、命令とデータ間の相互作用にはサポートする追加のメカニズムが必要です。通常、データは操作する前にデータ メモリからプロセッサにロードする必要があります。これにより、特に命令やデータに頻繁にアクセスする必要がある場合、データ転送の遅延とシステムの複雑さが増加します。

3. ハードウェアの複雑さとコスト:
   命令メモリとデータ メモリが分離されているため、ハーバード アーキテクチャでは、並列アクセスをサポートするために追加のハードウェアと複雑なバス構造が必要です。これにより、ハードウェア設計の複雑さとコストが増加します。さらに、命令バスとデータ バスが独立しているため、より多くのピンと物理接続が必要となり、システムの物理レイアウトと統合に一定の課題が生じます。

4. キャッシュの一貫性の問題:
   ハーバード アーキテクチャにキャッシュが導入される場合、命令キャッシュとデータ キャッシュの間の一貫性を処理する必要があります。命令メモリとデータメモリは独立しているため、命令キャッシュとデータキャッシュが同時に存在する場合、データの不一致によるエラーを避けるために両者の整合性を確保する必要があります。これには、追加のハードウェア サポートとキャッシュ コヒーレンス プロトコルが必要です。

ハーバード アーキテクチャにはいくつかの課題がありますが、特定のアプリケーション ドメインでは依然として利点があります。たとえば、高いリアルタイム パフォーマンスを必要とする組み込みシステム、信号処理、およびリアルタイム システムでは、ハーバード アーキテクチャはより優れた並列処理とパフォーマンスを提供できます。アーキテクチャを選択するときは、特定のアプリケーションの要件と制約に従って、さまざまなアーキテクチャの長所と短所を比較検討し、最適な設計スキームを決定する必要があります。

3. ノイマン型アーキテクチャとハーバード型アーキテクチャの違い

フォン ノイマン アーキテクチャとハーバード アーキテクチャは 2 つの異なるコンピュータ アーキテクチャであり、命令とデータの処理方法とメモリの構造にいくつかの重要な違いがあります。主な違いは次のとおりです。

1. メモリ構造:

   • フォン ノイマン アーキテクチャ: フォン ノイマン アーキテクチャは統合メモリ構造を使用します。つまり、命令とデータは同じメモリ空間を共有します。命令とデータは同じ物理メモリに保存され、統一されたアドレス空間を使用してアドレス指定されます。
   • ハーバード アーキテクチャ: ハーバード アーキテクチャでは、命令メモリとデータ メモリが分離され、独立した物理アドレス空間を持ちます。命令とデータは異なるメモリに保存されるため、命令とデータの読み取りと保存を同時に行うことができます。

2. 並列処理:

   • ノイマン型アーキテクチャ: ノイマン型アーキテクチャでは、命令とデータが同じメモリを共有するため、常に命令の実行またはデータの読み取りまたは書き込みのいずれか 1 つだけが発生できます。命令とデータの読み取りおよび書き込み操作を並行して実行することはできません。
   • ハーバード アーキテクチャ: ハーバード アーキテクチャでは、命令とデータ メモリが分離されているため、命令の取得とデータの読み書き操作を同時に実行できます。命令とデータの並列アクセスにより、システムの処理速度とスループットが向上します。

3. 自己変更コード機能:

   • フォン ノイマン アーキテクチャ: 命令とデータが同じメモリ空間を共有するため、プログラムはメモリ内の命令を直接変更して自己修正コードを実現できます。これにより、フォン ノイマン アーキテクチャがより柔軟になります。
   • ハーバード アーキテクチャ: 命令メモリとデータ メモリが分離されているため、プログラムは命令メモリの内容を直接変更できません。これにより、ハーバード アーキテクチャにおける自己変更コードの機能が制限されます。

4. システムの複雑さ:

   • ノイマン型アーキテクチャ: ノイマン型アーキテクチャのメモリ構造は比較的単純で、命令とデータの共有メモリによりシステムの設計と実装が簡素化されます。
   • ハーバード アーキテクチャ: ハーバード アーキテクチャでは、命令メモリとデータ メモリが分離されているため、並列アクセスをサポートするために追加のハードウェアと複雑なバス構造が必要となり、ハードウェアの複雑さとシステムのコストが増加します。

5. 応用分野:

   • フォン ノイマン アーキテクチャ: フォン ノイマン アーキテクチャは、パーソナル コンピュータ、サーバー、メインフレーム コンピュータなどの汎用コンピュータ システムで広く使用されています。科学計算からビジネスアプリケーションまで、さまざまなアプリケーションに適しています。
   • ハーバード アーキテクチャ: ハーバード アーキテクチャは、いくつかの特定の分野で広く使用されています。ハーバード アーキテクチャは、命令とデータに同時にアクセスできるため、組み込みシステム、信号処理、リアルタイム システム、および高いリアルタイム パフォーマンスを必要とするアプリケーションでよく使用されます。

まとめ
フォン ノイマン アーキテクチャとハーバード アーキテクチャには、メモリ構造、並列処理、自己変更コード機能、システムの複雑さ、アプリケーション ドメインの点で大きな違いがあります。フォン ノイマン アーキテクチャはユニファイド メモリ構造を使用しており、命令とデータが同じメモリを共有するため、汎用コンピュータ システムに適しています。ハーバード アーキテクチャでは、命令メモリとデータ メモリが分離されており、独立した物理アドレス空間を持っているため、命令とデータに並行してアクセスでき、特定の分野やアプリケーションに適しています。

4. 知識の拡大

フォン ノイマン アーキテクチャとハーバード アーキテクチャに加えて、他にもいくつかのコンピュータ アーキテクチャが存在します。これらのアーキテクチャは、特定のアプリケーション要件を満たすために、さまざまな原理と設計概念に基づいています。その他の一般的なコンピューター アーキテクチャをいくつか示します。

1. データフロー アーキテクチャ: データフロー アーキテクチャでは、命令の実行は、従来のプログラム制御フローの順序ではなく、データの可用性によってトリガーされます。このアーキテクチャは、並列コンピューティングやデータ集約型アプリケーションに利点があります。

2. ベクトル アーキテクチャ: ベクトル アーキテクチャは、ベクトル演算を実行すること、つまり、複数のデータ要素に対して同じ演算を同時に実行することにより、計算パフォーマンスを向上させます。主に科学技術コンピューティングやハイパフォーマンスコンピューティングの分野で使用されます。

3. パイプライン アーキテクチャ: パイプライン アーキテクチャは、命令の実行を複数のステージに分割し、異なるステージで複数の命令を同時に実行します。これにより、プロセッサのスループットが向上し、命令の実行が高速化されます。

4. マルチコア アーキテクチャ: マルチコア アーキテクチャは、同じチップ上に複数の処理コアを統合し、各コアが独立して命令を実行できるため、コンピュータ システムの並列性とパフォーマンスが向上します。

5. SIMD アーキテクチャ (単一命令、複数データ): SIMD アーキテクチャは、単一命令で複数のデータ要素に対して同じ演算を同時に実行できるため、大規模データの並列計算の処理に適しています。

6. MIMD アーキテクチャ (複数命令、複数データ): MIMD アーキテクチャは、複数のプロセッサまたは処理コアが異なる命令を独立して実行できるようにし、複数の独立したタスクの並列処理に適しています。

7. DSP アーキテクチャ (デジタル シグナル プロセッサ): DSP アーキテクチャはデジタル信号処理に特別に使用され、最適化された命令セットとハードウェア サポートを備えており、オーディオ、画像処理、その他のアプリケーションに適しています。