Von-Neumann- vs. Harvard-Architektur: Unterschiede erklärt

In einer Von-Neumann-Architektur teilen sich Befehle und Daten einen Speicher und einen Bus, sodass der Prozessor nicht gleichzeitig einen Befehl holen und auf Daten zugreifen kann. Diese Grenze ist der Von-Neumann-Flaschenhals. In einer Harvard-Architektur liegen Befehle und Daten in getrennten Speichern mit getrennten Bussen, sodass beide gleichzeitig zugänglich sind. Die meisten modernen CPUs kombinieren beides: Der Hauptspeicher ist einheitlich, aber der L1-Cache ist in getrennte Befehls- und Datencaches aufgeteilt. Das nennt man modifizierte Harvard-Architektur.

Aspekt	Von Neumann	Harvard
Speicher	Ein Speicher enthält Befehle und Daten	Getrennte Speicher für Befehle und für Daten
Busse	Ein gemeinsamer Bus	Getrennte Busse
Befehlsabruf und Datenzugriff	Konkurrieren um denselben Bus (der Von-Neumann-Flaschenhals)	Können gleichzeitig stattfinden
Durchsatz	Niedriger bei gleicher Busgeschwindigkeit	Höher, durch parallelen Zugriff
Flexibilität	Hoch: Programme sind Daten, daher lassen sie sich leicht laden, erzeugen und ändern	Geringer: Code und Daten sind getrennt
Speicheraufteilung	Flexible Aufteilung zwischen Code und Daten	Feste Größen für jeden Speicher
Hardware-Komplexität	Einfacher	Komplexer: zwei Speicher und zwei Busse
Typische Geräte	Universalrechner	Digitale Signalprozessoren und viele Mikrocontroller (etwa AVR und PIC)
In modernen CPUs	Einheitlicher Hauptspeicher	Getrennte L1-Befehls- und Datencaches (modifizierte Harvard-Architektur)

Die Zahlenangaben sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welches einsetzen

Von Neumann: Für Universalrechner, bei denen Programme aus dem Massenspeicher geladen werden und Flexibilität wichtig ist.
Harvard: Für Signalverarbeitung und eingebettete Geräte, bei denen ein vorhersagbarer Zugriff mit hohem Durchsatz auf Befehle und Daten zählt.

FAQ

Was ist der Von-Neumann-Flaschenhals?

Befehle und Daten teilen sich einen Speicher und einen Bus, sodass der Prozessor nicht gleichzeitig einen Befehl holen und auf Daten zugreifen kann. Das begrenzt den Durchsatz.

Verwenden moderne CPUs die Harvard-Architektur?

Teilweise. Der Hauptspeicher ist einheitlich, aber der L1-Cache ist in getrennte Befehls- und Datencaches aufgeteilt. Das nennt man modifizierte Harvard-Architektur.

Welche Mikrocontroller verwenden die Harvard-Architektur?

Viele, darunter AVR- und PIC-Chips, die Programmspeicher und Datenspeicher getrennt halten.

Kann eine Harvard-Maschine selbstmodifizierenden Code ausführen?

Nicht leicht, weil Code und Daten in getrennten Speichern liegen. Diese Trennung ist ein Grund dafür, dass Von-Neumann-Maschinen flexibler sind.

Wichtige Begriffe erklärt

Von-Neumann-Architektur: Eine Rechnerorganisation, die Programme und Daten im selben Hauptspeicher hält und Befehle der Reihe nach holt und ausführt.
Cache-Speicher: Schneller, kleiner Speicher in der Nähe der CPU. Er hält häufig genutzte Daten vor, um den Geschwindigkeitsunterschied zum Hauptspeicher zu überbrücken. Meist aus SRAM aufgebaut.