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O modelo da Arquitetura de Von Neumann é composto por três grandes pilares:

Unidade de Processamento Central

Sistema de memória

Sistema de entrada e saída (E/S)

1. Unidade de Processamento Central (CPU)

É a composição de registradores, da unidade de controle (UC), a unidade de lógica aritmética (ULA) e o contador de programa.

Registradores: São memórias temporárias que existem dentro da CPU de altíssima velocidade

Unidade de Controle (UC): É a unidade responsável por buscar as instruções na memória principal e classificar o tipo das mesmas.

Unidade Lógica Aritmética (ULA): Unidade responsável por fazer as operações booleanas e aritméticas.

Contador de Programa (PC): É responsável por avisar à UC qual é a próxima instrução a ser buscada e executada.

2. Sistema de Memória Principal

Unidade que armazena os dados e os códigos do programa.

3. Entrada/Saída

Unidade que é responsável por pegar os dados de entradas e mostrar os resultados de saída do programa.

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Nascido em 28/12/1903, foi um matemático húngaro, naturalizado nos EUA.

Teve contribuições em várias áreas de conhecimento, entre elas: teoria dos conjuntos, análise funcional, mecânica quântica, ciência da computação, entre outras.

Foi professor na Universidade de Princeton e um dos construtores do computador ENIAC (Em português: computador integrador numérico eletrônico), computador digital eletrônico de grande escala.

(Fonte: John von Neumann – Wikipédia, a enciclopédia livre (wikipedia.org))

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As raízes da arquitetura Harvard se originam na Universidade de Harvard com o projeto do computador Harvard Mark I que foi criado entre 1937 a 1944, durante a II Guerra Mundial, idealizado por Howard Aiken com o apoio da IBM e da marinha norte americana foi considerado o primeiro projeto de computador. Utilizava muitas válvulas, as operações internas eram controladas por relés e os cálculos eram realizados mecanicamente. Integrava conceitos de computadores digitais e analógicos, pois tinha sistema eletrônico e mecânico na mesma máquina.
(Fonte: Arquitetura Harvard – Wikipédia, a enciclopédia livre (wikipedia.org))

O conceito no qual foi baseada a arquitetura de Harvard é mais recente que a de Von-Neumann, e é originário da necessidade de por o microprocessador para trabalhar mais rápido. É uma arquitetura de computador que se distingue das outras por possuir duas memórias diferentes e independentes em termos de barramento e ligação ao processador.

Baseia-se na separação de barramentos de dados das memórias onde estão as instruções de programa e das memórias de dados, permitindo que um processador possa acessar as duas simultaneamente, obtendo um desempenho melhor do que a da Arquitetura de von Neumann, pois pode buscar uma nova instrução enquanto executa outra.

A principal vantagem desta arquitetura é dada pela dupla ligação às memórias de dados e programa (código), permitindo assim que o processador leia uma instrução ao mesmo tempo que faz um acesso à memória de dados.
(Fonte: https://www.diegomacedo.com.br/arquitetura-von-neumann-vs-harvard/)

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Arquitetura de processamento CISC x RISC

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Arquitetura de processamento CISC x RISC

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Processadores CISC X RISC: qual a diferença entre essas duas arquiteturas?

As principais diferenças entre as arquiteturas CISC e RISC são a capacidade de processamento e o modo como é realizado esse processamento.

O processador, ou Unidade Central de Processamento (CPU - Central processing Unit), nada mais é que um circuito eletrônico responsável por executar uma série de instruções dadas pela máquina. Essas instruções são pré-definidas e armazenadas na memória principal do computador e chegam ao processador em linguagem assembly, que é o padrão reconhecido e compreendido por ele. O processador pode receber diferentes tipos de instrução:

Operações aritméticas (adição, subtração, multiplicação e divisão);

Acesso à memória para, por exemplo, mover dados de um local para outro;

Operações lógicas;

Controle, etc...

É aqui que as diferenças entre RISC e CISC começam a surgir. CISC é o acrônimo de Complex Instruction Set Computer, ou seja, executa instruções complexas.

E qual é a complexidade por trás dessas instruções?

Elas são normalmente longas e repletas de operações matemáticas distintas.

Não possuem um tamanho padrão, podendo assumir dimensões variáveis de acordo com a quantidade de operações que deverão ser executadas.

Exigem que o processador acesse a memória para executar essa instrução.

Como resultado, o tempo de processamento será maior afetando, portanto, a capacidade de processamento.  Para executar uma só instrução, um processador CISC pode exigir vários ciclos de relógio. Um ciclo de relógio é a frequência medida em Hertz que determina quantos impulsos serão realizados por segundo naquele computador.

Exemplo, uma máquina de 100Mhz irá realizar 100 milhões de impulsos por segundo. Quanto maior esse número, menor será a quantidade de ciclos necessários para executar uma instrução. A família de processadores x86 da Intel (286, 386, 486) nascida na década de 1970 é uma das mais reconhecidas usuárias da arquitetura CISC. E, durante anos, os computadores pessoais se restringiram a essa arquitetura até que a Apple mudou esse cenário.   “Podemos dizer que 90% do mercado têm suas demandas atendidas por máquinas com processador CISC. São usadas, normalmente, para rodar aplicações simples que exigem pouco processamento como um sistema de caixa de uma loja, por exemplo”, afirma o Diretor de Operações da LB2, Victor Machado.

Devido à capacidade de processamento limitada, são logo substituídas pela arquitetura RISC, quando a necessidade de processamento atinge padrões elevados.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Aqui o nome mais uma vez diz muito sobre a arquitetura do processador. Ao contrário do CISC, o RISC executa instruções reduzidas. Ou seja, ele quebra a instrução em várias menores e mais simples e todas assumem um tamanho padrão. Cada uma dessas instruções têm as características necessárias para que possa ser executada em apenas um ciclo de relógio. No exemplo que demos antes, a cada 100 milhões de impulsos, uma instrução seria concluída. No caso do CISC, essa afirmação não seria verdadeira já que uma instrução poderia exigir 10, 20 ou vários outros ciclos para ser finalizada. “Em nível enterprise, em que o processamento dos dados é muito alto, máquinas com arquitetura RISC como a Power da IBM e Sparc da Oracle são as mais indicadas. E aqui não estamos nos referindo necessariamente ao tamanho da empresa. Organizações de pequeno e médio porte podem ter operações que exijam capacidade de processamento muito alto e, por isso, recorrem ao RISC”, detalha Victor.

O RISC também é amplamente utilizado em dispositivos móveis como celulares, tablets, notebooks e vídeo-games, pois são processadores menores, mais baratos e que tendem a consumir menos energia. Sem contar que atende à forte demanda por uma velocidade de processamento elevada nestes casos.

CISC
Instruções completas que exigem vários ciclos de relógio para serem executadas - Instruções com formatos variáveis

RISC
Instruções simples executadas em um ciclo de relógio.
- Instruções com formatos fixos.

Apesar de parecer menos vantajosa frente à arquitetura RISC, a CISC possui um conjunto maior de instruções que podem ser processadas, enquanto no RISC, o volume de instruções além de mais limitado, é mais simples. Existem sim aplicações muito específicas para a arquitetura CISC e, por isso, a tendência é que ambas continuem coexistindo no mercado. Inclusive, há uma tendência de fusão dos dois tipos de processadores, permitindo que as instruções mais complexas sejam direcionadas para RISC e as mais simples e rápidas para CISC.

Fonte: Adaptado de, Processadores CISC X RISC: qual a diferença entre essas duas arquiteturas? (lb2.com.br)

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Máquinas CISC (Complex Instruction Set Computer) têm um conjunto de instruções grande, de tamanhos variáveis, com formatos complexos.
Muitas dessas instruções são bastante complicadas, executando múltiplas operações quando uma única instrução é dada (por exemplo, é possível realizar um loop complexo usando apenas uma operação assembly).
O problema básico com máquinas CISC é que um conjunto pequeno de instruções complexas torna o sistema consideravelmente mais lento. Os projetistas decidiram retornar a uma arquitetura mais simples, delegando ao compilador a responsabilidade de produzir código eficiente com esse novo conjunto de instruções.
Máquinas que utilizam esta filosofia são chamadas de máquinas RISC.

A arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer), como o próprio nome já diz, tem como principal objetivo simplificar as instruções de modo que elas possam ser executadas mais rapidamente. Cada instrução executa apenas uma operação, que
são todas do mesmo tamanho, tem poucos formatos, e todas as operações aritméticas devem ser executadas entre registradores (dados da memória não podem ser utilizados como operandos).
Praticamente todos os conjuntos de instruções (para qualquer arquitetura) lançados desde 1982 têm sido RISC, ou alguma combinação entre RISC e CISC.

Membros da família x86 de arquitetura Intel são conhecidos como máquinas CISC, enquanto que a família Pentium e processadores MIPS são conhecidos como máquinas RISC.

Fonte: Arquitetura de Computadores - CISC X RISC - Definição, aplicação e diferenças - Canal TI

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Figura ilustrando o modelo de arquitetura de Von Neumann

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Geralmente CISC.

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Figura ilustrando o modelo de arquitetura de Harvard

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Geralmente RISC.

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Principais diferenças entre as arquiteturas Von Neumann e Harvard

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Principais diferenças entre as arquiteturas Von Neumann e Harvard

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Fonte: Arquitetura: Von Neumann Vs Harvard - Diego Macêdo (diegomacedo.com.br)

Von Neumann:
- Arquitetura mais simples;
- Relativamente mais lento, devido a não permitir acesso simultâneo as memórias;
- Geralmente CISC.

Harvard:
- Arquitetura mais complexa;
- Relativamente mais rápido, devido ao acesso simultâneo as memórias;
- Geralmente RISC;
- Permite o Pipelining.