Основная архитектура вычислительной системы определяется взаимосвязью между процессором и памятью. Основное различие заключается в том, делятся ли инструкции и данные общим каналом или используются независимые пути передачи данных.
1. Архитектура фон Неймана
Используется в универсальных системах, таких как x86-64, эта модель характеризуется единой областью памяти. ЦП обращается к коду и данным через один общий шинный интерфейс, что вызывает проблему фон Неймана: задержку, возникающую, когда ЦП должен переключаться между получением инструкций и доступом к операндам.
2. Архитектура Харварда
Распространена в специализированных процессорах и ARMv8-A реализациях кэша L1, эта архитектура использует физически отдельные области хранения памяти и каналы передачи сигналов. Это позволяет одновременно извлекать команду и данные, значительно повышая пропускную способность.
Схема: цикл выборки памяти в архитектуре фон Неймана, показывающая последовательное использование шины.
3. Структурная сходимость
Современные системы высокопроизводительных вычислений часто используют модифицированную архитектуру Харварда. Они ведут себя как машины Харварда на уровне кэша L1 (разделение кэша инструкций и данных), чтобы максимизировать скорость, сохраняя при этом модель фон Неймана в основной оперативной памяти для гибкости программирования.