Harvard-Architektur: Aufbau und Vorteile erklärt

Ein Rechner arbeitet mit zwei Arten von Inhalten: Befehle (das Programm) und Daten, die verarbeitet werden. Die Harvard-Architektur ist ein Schaltungskonzept, bei dem der Befehlsspeicher vom Datenspeicher getrennt ist, und zwar logisch und physisch.

Logisch getrennt heißt: Es gibt verschiedene Adressräume, also getrennte Adressen für Befehle und Daten, und verschiedene Maschinenbefehle für den Zugriff auf beide Speicher. Physisch getrennt heißt: Es gibt zwei getrennte Speicher, auf die je über einen eigenen Bus zugegriffen wird. Ein Bus ist hier eine Verbindung zum Rechenwerk.

Dadurch kann der Rechner gleichzeitig Befehle lesen und Daten schreiben oder umgekehrt, ohne dass es zu Konflikten oder Wartezeiten kommt.

Der Name kommt vom elektromechanischen Computer Mark I, der in Kooperation zwischen IBM und der Harvard-Universität entwickelt und 1944 in Betrieb genommen wurde. Die getrennten Speicher ergaben sich daraus, dass Befehle auf papiernen Lochstreifen und Daten auf Magnettrommeln gespeichert waren.

Die Von-Neumann-Architektur (VNA) ist ein Referenzmodell für Computer, wonach ein gemeinsamer Speicher sowohl Programmbefehle als auch Daten hält. Sie ist nach dem Mathematiker John von Neumann benannt, dessen wesentliche Arbeit zum Thema 1945 veröffentlicht wurde. Seine Idee war, dass auch die Programme im Speicher des Computers stehen sollen. Diese Idee setzte sich nach und nach durch.

In der Von-Neumann-Architektur teilen sich Programme und Daten denselben Speicher und denselben Datenbus. Befehle und Daten laufen also über denselben Datenpfad zwischen Prozessor und Speicher. Das ist flexibel: Der Speicher kann dynamisch zwischen Programmbefehlen und Daten aufgeteilt werden.

Der Preis: Befehle und Daten greifen nacheinander zu. Bei einer klassischen Von-Neumann-Architektur sind zum gleichzeitigen Laden von Befehl und Daten mindestens zwei aufeinander folgende Buszyklen nötig. Bei Harvard geht es gleichzeitig.

Leistung: Weil Befehle und Daten gleichzeitig geladen oder geschrieben werden können, verbessert die Harvard-Architektur potenziell die Leistung. Moderne Prozessoren in Harvard-Architektur können parallel mehrere Rechenwerke gleichzeitig mit Daten und Befehlen füllen. Bei Signalprozessoren der C6x-Familie von Texas Instruments ist das beispielsweise für bis zu acht Rechenwerke möglich.

Anpassung: Die Breite eines Datenworts (die kleinste adressierbare Einheit) und die Breite eines Befehlsworts können unabhängig voneinander festgelegt werden. Das kann zum Beispiel in eingebetteten Systemen (etwa in Sensoren oder Steuergeräten) oder kleinen Mikrocontroller-Systemen von Interesse sein. Single-Chip-Mikrocontroller mit festen Programmen haben meist Harvard-Architektur. Außerdem kann man Programmcode auf einen im Betrieb nur lesbaren Speicher legen. So lässt sich verhindern, dass er bei Softwarefehlern überschrieben wird.

Grenzen: Die Speichersteuerung ist doppelt vorhanden, das macht die Architektur aufwändiger. Nicht benötigter Programmspeicher kann nicht als Datenspeicher genutzt werden und umgekehrt. Deshalb müssen beide Speicher großzügiger bemessen werden. Insgesamt sind Computer mit Harvard-Architektur nicht unwesentlich teurer.

Eine klassische Harvard-Architektur mit strikter Trennung von Befehls- und Datenbus ist außer in Spezialfällen unüblich. Es wären nur fertige Programme in nichtflüchtigem Speicher ausführbar. Das Nachladen von Programmen ist nicht möglich.

Beurteilung: Harvard findet man vor allem dort, wo hohe Leistungsfähigkeit und Effizienz gefragt sind und die Programme feststehen. Der Preis sind höhere Kosten und weniger Flexibilität bei der Speichernutzung.

Viele moderne Prozessoren verwenden eine Mischform aus Harvard- und Von-Neumann-Architektur. Innerhalb des Prozessorchips werden Daten und Programm getrennt verwaltet, haben eigene Caches und laufen über getrennte interne Busse. Außerhalb des Chips liegen sie jedoch in einem gemeinsamen Speicher. Eine weniger strikte Trennung von Befehls- und Datenspeichern nennt man auch modifizierte Harvard-Architektur.

Ein Cache ist ein schneller Pufferspeicher, der wiederholte Zugriffe auf vergleichsweise langsame Datenspeicher vermeiden hilft. Daten, die schon einmal geladen wurden, bleiben im Cache und sind später schneller abrufbar. Aktuelle Prozessoren haben überwiegend drei Cache-Stufen, genannt L1, L2 und L3. Moderne Prozessoren haben getrennte L1-Caches für Programme und Daten. Das erinnert an die Harvard-Architektur. So können Instruktionen und Daten gleichzeitig gelesen oder geschrieben werden, und der Von-Neumann-Flaschenhals wird weiter verringert.

Viele heutige Computer entsprechen aus Softwaresicht weiterhin dem einfachen Von-Neumann-Modell. Ihre Architekturen, zum Beispiel x86, wurden aber weit darüber hinaus weiterentwickelt, um Leistungszuwächse zu erzielen.

Ein Nachteil getrennter Caches: Selbstmodifizierender Code muss gesondert behandelt werden, was seine Ausführung stark verlangsamt. Solcher Code wird heute ohnehin nur noch sehr selten verwendet.