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= 哈佛架构 =

'''哈佛架构'''（Harvard Architecture）是一种计算机体系结构，其核心特征是将[[程序存储器]]和[[数据存储器]]在物理上分开，并使用独立的[[总线]]进行访问。这种架构由[[哈佛大学]]在20世纪40年代为[[马克一号]]计算机设计，与传统的[[冯·诺伊曼架构]]形成对比。

== 基本特征 ==
哈佛架构的主要特点包括：
* '''分离存储'''：指令存储器和数据存储器物理分离
* '''并行访问'''：可同时读取指令和操作数据
* '''专用总线'''：指令总线和数据总线相互独立
* '''安全性提升'''：防止程序指令被意外修改

<mermaid>
graph LR
    CPU -->|指令总线| 程序存储器
    CPU -->|数据总线| 数据存储器
</mermaid>

== 与冯·诺伊曼架构对比 ==
{| class="wikitable"
|-
! 特征 !! 哈佛架构 !! 冯·诺伊曼架构
|-
| 存储结构 || 分离的程序和数据存储器 || 统一存储器
|-
| 总线结构 || 独立指令和数据总线 || 共享总线
|-
| 访问效率 || 可并行访问 || 顺序访问
|-
| 典型应用 || 嵌入式系统、DSP || 通用计算机
|}

== 技术优势 ==
1. '''性能提升'''：指令和数据的并行获取消除了[[冯·诺伊曼瓶颈]]
2. '''实时性增强'''：特别适合[[数字信号处理]]等实时应用
3. '''可靠性提高'''：防止程序被意外覆盖
4. '''优化存储'''：可为指令和数据使用不同的存储技术

== 实际应用 ==
哈佛架构广泛应用于：
* [[微控制器]]（如51单片机、PIC系列）
* [[数字信号处理器]]（DSP）
* [[现场可编程门阵列]]（FPGA）设计
* 高性能嵌入式系统

=== 51单片机实现示例 ===
在典型的51单片机中：
* 程序存储器（ROM）存储固件代码
* 数据存储器（RAM）存储运行时的变量
* 特殊功能寄存器（SFR）通过独立地址空间访问

<syntaxhighlight lang="c">
// 哈佛架构下的存储器访问示例
#include <reg51.h>

void main() {
    unsigned char data_var;  // 存储在数据存储器
    code const unsigned char = 0x55;  // 存储在程序存储器
    
    data_var = rom_var;  // 从程序存储器读取到数据存储器
    P1 = data_var;       // 通过I/O端口输出
}
</syntaxhighlight>

== 变体与发展 ==
现代处理器常采用'''改进型哈佛架构'''，其特征包括：
* 引入[[缓存]]层次结构
* 允许通过特殊指令跨越存储边界访问
* 在芯片级保持分离，但在外部总线合并

== 数学表示 ==
哈佛架构的并行访问特性可以用以下公式表示：
<math>
T_{access} = \max(T_{instr}, T_{data})
</math>
其中：
* <math>T_{instr}</math>是指令访问时间
* <math>T_{data}</math>是数据访问时间

== 参见 ==
* [[冯·诺伊曼架构]]
* [[51单片机]]
* [[嵌入式系统]]
* [[计算机体系结构]]

[[Category:计算机体系结构]]
[[Category:微控制器]]
[[Category:哈佛大学]]