Kiến trúc Máy tính liên quan đến cấu trúc và hành vi của máy tính mà người dùng nhìn thấy.
Nó bao gồm thông tin, định dạng, tập lệnh và các kỹ thuật xử lý bộ nhớ. Thiết kế kiến trúc của một hệ thống máy tính liên quan đến các thông số kỹ thuật của các mô-đun chức năng khác nhau, chẳng hạn như bộ xử lý và bộ nhớ, và cấu trúc chúng lại với nhau thành một hệ thống máy tính.
Hai kiểu kiến trúc máy tính cơ bản là:Kiến trúc von Neumann và Kiến trúc Harvard
Kiến trúc von Neumann
Kiến trúc máy tính von-Neumann được nhà toán học John von-Neumann đưa ra vào năm1945 trong một báo cáo về máy tính EDVAC như minh hoạ trên hình H.1
Kiến trúc máy tính dựa trên kiến trúc von Neumann và Harvard
Máy kiến trúc von Neumann, được thiết kế bởi nhà vật lý và toán học John von Neumann (1903–1957) là một thiết kế lý thuyết cho một máy tính chương trình được lưu trữ làm nền tảng cho hầu hết các máy tính hiện đại.
Một máy von Neumann bao gồm một bộ xử lý trung tâm với một đơn vị số học / logic và một đơn vị điều khiển, một bộ nhớ, bộ lưu trữ khối lượng lớn và đầu vào và đầu ra. Cụ thể như sau:
ALU: Đơn vị số học-lôgic thực hiện các chức năng tính toán và lôgic của máy tính.
RAM: Bộ nhớ; cụ thể hơn là bộ nhớ chính, hoặc bộ nhớ nhanh, còn được gọi là Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) .
Bộ điều khiển : Đây là thành phần điều khiển các thành phần khác của máy tính thực hiện các hành động nhất định, chẳng hạn như điều khiển việc tìm nạp dữ liệu hoặc các lệnh từ bộ nhớ sẽ được xử lý bởi ALU.
Giao diện người-máy; tức là các thiết bị đầu vào và đầu ra, chẳng hạn như bàn phím cho đầu vào và màn hình hiển thị cho đầu ra.
Các đặc điểm của kiến trúc von-Neumann
Kiến trúc von- Neumann dựa trên 3 khái niệm cơ sở:
(1) Lệnh và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đọc ghi chia sẻ-một bộ nhớ duy nhất được sử dụng để lưu trữ cả lệnh và dữ liệu.
(2) Bộ nhớ được đánh địa chỉ theo vùng, không phụ thuộc vào nội dung nó lưu trữ.
(3) Các lệnh của một chương trình được thực hiện tuần tự.
Quá trìnhthực hiện lệnh được chia thành3 giai đoạn (stages) chính:
(1) CPU đọc (fetch) lệnh từ bộ nhớ ,
(2) CPU giải mã và thực hiện lệnh;nếu lệnh yêu cầu dữ liệu, CPU đọc dữ liệu từ bộ nhớ
(3) CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có).
Kiến trúc Harvard
Kiến trúc Harvard lưu trữ các lệnh máy và dữ liệu trong các đơn vị bộ nhớ riêng biệt được kết nối bằng các bus khác nhau. Trong trường hợp này, có ít nhất hai không gian địa chỉ bộ nhớ để làm việc, do đó có một thanh ghi bộ nhớ cho các lệnh máy và một thanh ghi bộ nhớ khác cho dữ liệu. Máy tính được thiết kế theo kiến trúc Harvard có thể chạy chương trình và truy cập dữ liệu một cách độc lập và đồng thời. Kiến trúc Harvard có sự tách biệt chặt chẽ giữa dữ liệu và mã lệnh. Do đó, kiến trúc Harvard phức tạp hơn nhưng các đường ống dẫn riêng biệt đã tháo gỡ nút thắt cổ chai mà Von Neumann tạo ra. Hình H.2 ở trên
Trong một máy tính có kiến trúc Harvard, CPU có thể đọc cả lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ cùng một lúc, dẫn đến tăng gấp đôi băng thông bộ nhớ.
Hệ thống máy tính dựa trên vi điều khiển (máy vi tính đơn chip) và hệ thống máy tính dựa trên DSP (Digital Signal Processor) là những ví dụ về kiến trúc Harvard
So sánh hai mô hình kiến trúc máy tính
|
KIẾN TRÚC VON NEUMANN |
KIẾN TRÚC HARVARD |
| Nó là kiến trúc máy tính cổ đại dựa trên khái niệm máy tính chương trình được lưu trữ. | Đây là kiến trúc máy tính hiện đại dựa trên mô hình chuyển tiếp Harvard Mark I. |
| Cùng một địa chỉ bộ nhớ vật lý được sử dụng cho các lệnh và dữ liệu. | Địa chỉ bộ nhớ vật lý riêng biệt được sử dụng cho các lệnh và dữ liệu. |
| Có bus chung để chuyển dữ liệu và lệnh. | Các bus riêng biệt được sử dụng để truyền dữ liệu và hướng dẫn. |
| Hai chu kỳ đồng hồ được yêu cầu để thực hiện lệnh đơn. | Một lệnh được thực hiện trong một chu kỳ duy nhất. |
| Nó rẻ hơn về chi phí. | Nó tốn kém hơn Kiến trúc Von Neumann. |
| CPU không thể truy cập hướng dẫn và đọc / ghi cùng một lúc. | CPU có thể truy cập các lệnh và đọc / ghi cùng một lúc. |
| Nó được sử dụng trong máy tính cá nhân và máy tính nhỏ. | Nó được sử dụng trong bộ điều khiển vi mô và xử lý tín hiệu. |