馮諾依曼體系結構、哈佛體系結構與改進型哈佛結構之間的區別

1、馮·諾依曼結構

馮·諾依曼結構又稱作普林斯頓體系結構（Princetionarchitecture）。

1945年，馮·諾依曼首先提出了“存儲程序”的概念和二進制原理，后來，人們把利用這種概念和原理設計的電子計算機系統統稱為“馮·諾依曼型結構”計算機。馮·諾依曼結構的處理器使用同一個存儲器，經由同一個總線傳輸。

馮·諾依曼結構處理器具有以下幾個特點：

• 必須有一個存儲器；
• 必須有一個控制器；
• 必須有一個運算器，用于完成算術運算和邏輯運算；
• 必須有輸入和輸出設備，用于進行人機通信。

馮·諾依曼的主要貢獻就是提出并實現了“存儲程序”的概念。由于指令和數據都是二進制碼，指令和操作數的地址又密切相關，因此，當初選擇這種結構是自然的。但是，這種指令和數據共享同一總線的結構，使得信息流的傳輸成為限制計算機性能的瓶頸，影響了數據處理速度的提高。

在典型情況下，完成一條指令需要3個步驟，即：取指令、指令譯碼和執行指令。從指令流的定時關系也可看出馮·諾依曼結構與哈佛結構處理方式的差別。舉一個最簡單的對存儲器進行讀寫操作的指令，指令1至指令3均為存、取數指令，對馮·諾依曼結構處理器，由于取指令和存取數據要從同一個存儲空間存取，經由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執行，只有一個完成后再進行下一個。

arm7系列的CPU有很多款，其中部分CPU沒有內部cache的，比如arm7TDMI，就是純粹的馮·諾依曼結構，其他有內部cache且數據和指令的cache分離的cpu則使用了哈弗結構。

2、哈佛結構

哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構，如圖1所示。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內容，解碼后得到數據地址，再到相應的數據存儲器中讀取數據，并進行下一步的操作（通常是執行）。程序指令存儲和數據存儲分開，可以使指令和數據有不同的數據寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數據是8位寬度。

圖1 哈佛體系結構框圖

哈佛結構的微處理器通常具有較高的執行效率。其程序指令和數據指令分開組織和存儲的，執行時可以預先讀取下一條指令。

目前使用哈佛結構的中央處理器和微控制器有很多，除了Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。

哈佛結構是指程序和數據空間獨立的體系結構， 目的是為了減輕程序運行時的訪存瓶頸。

例如最常見的卷積運算中， 一條指令同時取兩個操作數， 在流水線處理時， 同時還有一個取指操作， 如果程序和數據通過一條總線訪問， 取指和取數必會產生沖突， 而這對大運算量的循環的執行效率是很不利的。

哈佛結構能基本上解決取指和取數的沖突問題。

而對另一個操作數的訪問， 就只能采用Enhanced哈佛結構了， 例如像TI那樣，數據區再split， 并多一組總線。 或向AD那樣，采用指令cache， 指令區可存放一部分數據。

在典型情況下，完成一條指令需要3個步驟，即：取指令、指令譯碼和執行指令。從指令流的定時關系也可看出馮·諾依曼結構與哈佛結構處理方式的差別。舉一個最簡單的對存儲器進行讀寫操作的指令，指令1至指令3均為存、取數指令，對馮·諾依曼結構處理器，由于取指令和存取數據要從同一個存儲空間存取，經由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執行，只有一個完成后再進行下一個。

如果采用哈佛結構處理以上同樣的3條存取數指令，由于取指令和存取數據分別經由不同的存儲空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執行，這樣，也就克服了數據流傳輸的瓶頸，提高了運算速度。

3、馮·諾依曼體系和哈佛總線體系的區別

二者的區別就是程序空間和數據空間是否是一體的。馮·諾依曼結構數據空間和地址空間不分開，哈佛結構數據空間和地址空間是分開的。

早期的微處理器大多采用馮·諾依曼結構，典型代表是Intel公司的X86微處理器。取指和取操作數都在同一總線上，通過分時服用的方式進行的。缺點是在高速運行時，不能達到同時取指令和取操作數，從而形成了傳輸過程的瓶頸。

哈佛總線技術應用是以DSP和ARM為代表的。采用哈佛總線體系結構的芯片內部程序空間和數據空間是分開的，這就允許同時取指和取操作數，從而大大提高了運算能力。

DSP芯片硬件結構有馮·諾依曼結構和哈佛結構，兩者區別是地址空間和數據空間分開與否。一般DSP都是采用改進型哈佛結構，就是分開的數據空間和地址空間都不只是一條，而是有多條，這根據不同的生產廠商的DSP芯片有所不同。在對外尋址方面從邏輯上來說也是一樣，因為外部引腳的原因，一般來說都是通過相應的空間選取來實現的。本質上是同樣的道理。

4.改進型的哈佛結構與哈佛體系結構差別

與馮.諾曼結構處理器比較，哈佛結構處理器有兩個明顯的特點：

(1).使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據并存；

(2).使用獨立的兩條總線，分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間毫無關聯。

后來，又提出了改進的哈佛結構，其結構特點為：

(1).使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據并存；

(2).具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數據總線，利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊（程序存儲模塊和數據存儲模塊），公用數據總線則被用來完成程序存儲模塊或數據存儲模塊與CPU之間的數據傳輸；

(3).兩條總線由程序存儲器和數據存儲器分時共用。

5.總結

體系結構與采用的獨立與否的總線無關，與指令空間和數據空間的分開獨立與否有關。51單片機雖然數據指令存儲區是分開的，但總線是分時復用的，所以屬于改進型的哈佛結構。ARM9雖然是哈佛結構，但是之前的版本(例如ARM7)也還是馮·諾依曼結構。早期的X86能迅速占有市場，一條很重要的原因，正是靠了馮·諾依曼這種實現簡單，成本低的總線結構。現在的處理器雖然外部總線上看是諾依曼結構的，但是由于內部CACHE的存在，因此實際上內部來看已經 類似 改進型哈佛結構的了。至于優缺點，哈佛結構就是復雜，對外圍設備的連接與處理要求高，十分不適合外圍存儲器的擴展。所以早期通用CPU難以采用這種結構。而單片機，由于內部集成了所需的存儲器，所以采用哈佛結構也未嘗不可。現在的處理器，依托CACHE的存在，已經很好的將二者統一起來了。

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