KIẾN TRÚC HARVARD: NGUỒN GỐC, MÔ HÌNH, CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG - CÔNG NGHỆ - 2026

Các kiến trúc Harvard là một cấu hình của máy tính, trong đó các dữ liệu và hướng dẫn của một chương trình nằm trong các tế bào riêng biệt của bộ nhớ, có thể được giải quyết một cách độc lập.

Đó là, nó là thuật ngữ được sử dụng cho một hệ thống máy tính có chứa hai khu vực riêng biệt: cho các lệnh hoặc hướng dẫn và cho dữ liệu. Do đó, chức năng chính của kiến ​​trúc này là lưu trữ dữ liệu được tách biệt về mặt vật lý, cung cấp các đường dẫn tín hiệu khác nhau cho các lệnh và dữ liệu.

Nguồn: From Nessa los - Own work, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia

Trong kiến ​​trúc này, cả định dạng và phương tiện của hai phần này của hệ thống có thể không bằng nhau, vì hai phần được tạo thành từ hai cấu trúc riêng biệt.

Một số ví dụ về kiến ​​trúc Harvard liên quan đến các hệ thống máy tính sơ khai, trong đó các hướng dẫn chương trình có thể nằm trên một phương tiện, ví dụ, trên thẻ đục lỗ và dữ liệu được lưu trữ có thể trên phương tiện khác, ví dụ, trên băng từ.

Các ứng dụng

Loại kiến ​​trúc này có ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm xử lý video và âm thanh. Với mỗi công cụ xử lý video và âm thanh, có thể thấy bóng dáng của kiến ​​trúc Harvard.

Thiết bị tương tự Bộ xử lý Blackfin là thiết bị cụ thể mà nó được sử dụng chính. Trong các sản phẩm dựa trên chip điện tử khác, kiến ​​trúc Harvard cũng được sử dụng rộng rãi.

Tuy nhiên, hầu hết các máy tính sử dụng kiến ​​trúc von Neumann và sử dụng bộ đệm CPU để đạt được sự chồng chéo.

Gốc

Công việc được thực hiện tại Đại học Harvard vào những năm 1940 dưới sự lãnh đạo của Howard Aiken đã tạo ra một máy tính dựa trên rơ le nguyên bản, được gọi là Harvard Mark I, đây là thuật ngữ mà từ đó nảy sinh ra khái niệm về kiến ​​trúc Harvard.

Máy tính này sử dụng các đơn vị bộ nhớ riêng biệt để lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn. Sau đó, đã có một sự phát triển đáng kể với kiến ​​trúc này.

Aiken khuyến khích sử dụng các bộ nhớ riêng biệt cho dữ liệu và cho các hướng dẫn chương trình, với các xe buýt riêng biệt cho từng bộ nhớ.

Kiến trúc Harvard ban đầu thường lưu trữ các hướng dẫn trên các băng đục lỗ và dữ liệu trên các bộ đếm cơ điện.

Việc lưu trữ dữ liệu của những chiếc máy ban đầu này hoàn toàn nằm trong bộ xử lý trung tâm. Mặt khác, họ không cấp quyền truy cập để các hướng dẫn được lưu trữ dưới dạng dữ liệu. Một nhà điều hành đã phải tải các chương trình.

Một kiến ​​trúc Harvard có thể xử lý dữ liệu và thực thi các lệnh cùng một lúc, bởi vì mỗi một trong số chúng có một bus địa chỉ riêng.

Mô hình

Mô hình này có đặc điểm là các bus thông tin và bộ lưu trữ được tách biệt về mặt vật lý đối với dữ liệu và mã chương trình.

Khi các xe buýt hoạt động tự động, dữ liệu và hướng dẫn chương trình có thể được thu thập cùng một lúc, do đó cải thiện tốc độ so với thiết kế xe buýt đơn.

Do đó, mô hình Harvard hóa ra phức tạp hơn. Tuy nhiên, việc để các xe buýt hoạt động độc lập sẽ tránh được nút thắt cổ chai do kiến ​​trúc von Neumann tạo ra.

Một máy tính có thể nhanh hơn đối với một mạch có độ phức tạp nhất định, bởi vì việc tìm kiếm hướng dẫn và truy cập dữ liệu không phải đấu tranh cho một bus bộ nhớ.

Để làm việc có hai địa chỉ bộ nhớ. Do đó, có một thanh ghi bộ nhớ cho các lệnh của máy và một thanh ghi bộ nhớ khác cho dữ liệu.

Không giống như kiến ​​trúc von Neumann, sử dụng một bus để di chuyển cả lệnh và dữ liệu trong bộ nhớ, kiến ​​trúc Harvard sử dụng một vùng nhớ cho dữ liệu và một vùng khác cho các lệnh.

Kiến trúc Harvard sửa đổi

Trong các máy tính ngày nay không có sự phân chia vật lý của các vùng bộ nhớ được sử dụng bởi các chương trình và dữ liệu. Vì lý do này, có thể nói rằng về mặt công nghệ chúng có kiến ​​trúc Von Neumann.

Tuy nhiên, kiến ​​trúc Harvard đã sửa đổi phục vụ để thể hiện tốt nhất các máy tính ngày nay.

Mặc dù các đơn vị xử lý hiện tại chia sẻ bộ nhớ, chúng có một số yếu tố nhất định, chẳng hạn như các lệnh duy nhất, ngăn dữ liệu bị rối với các lệnh. Đây được gọi là kiến ​​trúc Harvard sửa đổi.

Do đó, kiến ​​trúc Harvard sửa đổi có hai bus riêng biệt, một dành cho mã và một dành cho dữ liệu, nhưng bản thân bộ nhớ là một phần tử được chia sẻ vật lý.

Bộ điều khiển bộ nhớ là nơi có sự thay đổi, bởi vì thiết bị này là thiết bị xử lý bộ nhớ và cách nó nên được sử dụng.

Các thiết kế máy tính hiện đại được hỗ trợ bởi kiến ​​trúc Harvard đã sửa đổi. Chúng được sử dụng trong vi điều khiển và xử lý tín hiệu số.

Kiến trúc Harvard hoạt động như thế nào?

Kiến trúc Harvard có các vùng địa chỉ bộ nhớ khác nhau cho chương trình và cho dữ liệu.

Điều này dẫn đến khả năng thiết kế một mạch theo cách mà một bus và một mạch điều khiển có thể được sử dụng để xử lý luồng thông tin từ bộ nhớ chương trình và một mạch riêng biệt để xử lý luồng thông tin đến bộ nhớ dữ liệu.

Việc sử dụng các bus riêng biệt có nghĩa là một chương trình có thể được truy xuất và thực thi mà không bị gián đoạn do thỉnh thoảng chuyển dữ liệu vào bộ nhớ dữ liệu.

Ví dụ, trong một phiên bản đơn giản của kiến ​​trúc này, bộ khôi phục chương trình có thể đang bận truy xuất lệnh tiếp theo trong chuỗi chương trình và song song thực hiện thao tác truyền dữ liệu có thể là một phần của lệnh chương trình trước đó. .

Ở cấp độ này, kiến ​​trúc Harvard có một hạn chế, vì nói chung không thể đưa mã chương trình vào bộ nhớ dữ liệu và thực thi nó từ đó.

Bổ sung trong kiến ​​trúc

Nhiều biến thể phức tạp hơn hiện có có thể được thêm vào dạng đơn giản của kiến ​​trúc Harvard.

Một bổ sung phổ biến là thêm bộ đệm chỉ lệnh vào bus dữ liệu của chương trình, cho phép đơn vị thực thi lệnh truy cập nhanh hơn vào bước tiếp theo trong chương trình mà không cần phải truy cập vào bộ nhớ chậm hơn để đến bước. của chương trình mỗi khi nó được yêu cầu.

Địa chỉ bộ nhớ

Một máy tính kiến ​​trúc Harvard có các vùng địa chỉ dữ liệu và lệnh khác nhau: địa chỉ lệnh một không cùng vùng với địa chỉ dữ liệu.

Địa chỉ lệnh một có thể chứa giá trị hai mươi bốn bit, trong khi địa chỉ dữ liệu một có thể chỉ ra một byte tám bit, không phải là một phần của giá trị hai mươi bốn bit đó.

Hệ thống bộ nhớ

Vì có một khu vực bộ nhớ riêng biệt cho các lệnh và dữ liệu, tách biệt cả tín hiệu và bộ nhớ lưu trữ mã và dữ liệu, điều này giúp bạn có thể truy cập đồng thời vào từng hệ thống bộ nhớ.

Lợi thế

- Ít có khả năng bị hỏng trong quá trình truyền, vì dữ liệu và hướng dẫn được chuyển qua các bus khác nhau.

- Dữ liệu và hướng dẫn được truy cập theo cùng một cách.

- Cho phép các phương tiện lưu trữ khác nhau cho các hướng dẫn và dữ liệu. Ví dụ, bạn có thể đặt các hướng dẫn trong ROM rẻ tiền và dữ liệu trong RAM đắt tiền.

- Hai bộ nhớ có thể sử dụng các kích thước ô khác nhau, do đó sử dụng hiệu quả tài nguyên.

- Nó có băng thông bộ nhớ lớn hơn, dễ dự đoán hơn bằng cách có các bộ nhớ riêng biệt cho các lệnh và dữ liệu.

Mức độ bảo vệ

Trong các hệ thống không có đơn vị quản lý bộ nhớ, nó cung cấp một mức bảo vệ bổ sung, vì dữ liệu không thể được khởi động dưới dạng mã, điều này sẽ khiến hệ thống gặp nhiều vấn đề, chẳng hạn như tràn bộ đệm.

Đó là lý do tại sao nó phổ biến với các hệ thống nhúng nhỏ, như lò vi sóng hoặc đồng hồ.

Tốc độ cao hơn

Kiến trúc Harvard có thể đọc một lệnh và cũng truy cập đồng thời vào bộ nhớ dữ liệu với tốc độ nhanh.

Nó cung cấp hiệu suất cao hơn, vì nó cho phép thu thập đồng thời dữ liệu và hướng dẫn được lưu trữ trong các bộ nhớ riêng biệt và di chuyển qua các xe buýt khác nhau.

Kiến trúc Harvard nói chung sẽ giúp một máy tính có mức độ phức tạp nhất định chạy nhanh hơn kiến ​​trúc Von Neumann, miễn là không cần thiết phải chia sẻ tài nguyên giữa mã và bộ nhớ dữ liệu.

Nếu các giới hạn về pin hoặc các yếu tố khác buộc việc sử dụng một bus duy nhất để truy cập cả hai không gian bộ nhớ, những lợi ích này có thể bị vô hiệu hóa phần lớn.

Nhược điểm

Độ phức tạp và chi phí lớn hơn

Vấn đề với kiến ​​trúc Harvard là độ phức tạp và chi phí lớn của nó vì thay vì một bus dữ liệu, bây giờ cần hai bus.

Sản xuất một máy tính hai bus đắt hơn nhiều và thời gian sản xuất lâu hơn. Nó đòi hỏi một bộ điều khiển cho hai xe buýt, việc phát triển phức tạp hơn, tốn nhiều thời gian và chi phí.

Điều này có nghĩa là việc thực hiện phức tạp hơn đối với các nhà sản xuất. Nó đòi hỏi nhiều chân cắm trên CPU hơn, một bo mạch chủ phức tạp hơn và phải nhân bản các chip RAM, cũng như thiết kế bộ nhớ đệm phức tạp hơn.

Ít sử dụng

Kiến trúc Harvard không được sử dụng rộng rãi nên khó thực hiện hơn. Đây là lý do tại sao nó hiếm khi được sử dụng bên ngoài CPU.

Tuy nhiên, kiến ​​trúc này đôi khi được sử dụng trong CPU để quản lý bộ nhớ đệm của nó.

Sử dụng sai dung lượng bộ nhớ

Khi có dung lượng trống trong bộ nhớ dữ liệu, nó không thể được sử dụng để lưu các lệnh và ngược lại.

Vì vậy, những kỷ niệm cụ thể dành riêng cho mỗi người trong số họ phải được cân đối cẩn thận trong quá trình sản xuất của họ.

Người giới thiệu

1. Liệt kê sự khác biệt (2019). Sự khác biệt giữa kiến ​​trúc Von Neumann và Harvard? Lấy từ: listdifferences.com.
2. Tạp chí PC (2019). Định nghĩa của: kiến ​​trúc Harvard. Lấy từ: pcmag.com.
3. Techopedia (2019). Kiến trúc Harvard. Lấy từ: trầnpedia.com.
4. Scott Thornton (2018). Sự khác biệt giữa kiến ​​trúc Von-Neumann và Harvard là gì? Mẹo vi điều khiển. Lấy từ: microcontrollertips.com.
5. Wikipedia, bách khoa toàn thư miễn phí (2019). Kiến trúc Harvard. Lấy từ: en.wikipedia.org.
6. Lập trình viên điên rồ (2019). Sự khác biệt giữa Von Neumann và Kiến trúc Harvard. Lấy từ: thecrazyprogrammer.com.