微處理器的兩種結構比較 馮·諾依曼結構 VS 哈佛結構 1、馮·諾依曼結構 馮·諾依曼結構又稱作普林斯頓體繫結構（Princetionarchitecture）。 1945年，馮·諾依曼首先提出了“存儲程式”的概念和二進位原理，後來，人們把利用這種概念和原理設計的電子電腦系統統稱為“馮·諾依曼型結 ...
微處理器的兩種結構比較
馮·諾依曼結構 VS 哈佛結構
1、馮·諾依曼結構
馮·諾依曼結構又稱作普林斯頓體繫結構（Princetionarchitecture）。
1945年，馮·諾依曼首先提出了“存儲程式”的概念和二進位原理，後來，人們把利用這種概念和原理設計的電子電腦系統統稱為“馮·諾依曼型結構”電腦。馮·諾依曼結構的處理器使用同一個存儲器，經由同一個匯流排傳輸。
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，用於完成算術運算和邏輯運算；
必須有輸入和輸出設備，用於進行人機通信。
馮·諾依曼的主要貢獻就是提出並實現了“存儲程式”的概念。由於指令和數據都是二進位碼，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，這種指令和數據共用同一匯流排的結構，使得信息流的傳輸成為限制電腦性能的瓶頸，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、指令解碼和執行指令。從指令流的定時關係也可看出馮·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，由於取指令和存取數據要從同一個存儲空間存取，經由同一匯流排傳輸，因而它們無法重疊執行，只有一個完成後再進行下一個。
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式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式指令存儲器中讀取程式指令內容，解碼後得到數據地址，再到相應的數據存儲器中讀取數據，併進行下一步的操作（通常是執行）。程式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晶元的程式指令是14位寬度，而數據是8位寬度。
圖1 哈佛體繫結構框圖
哈佛結構的微處理器通常具有較高的執行效率。其程式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系列晶元，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。
哈佛結構是指程式和數據空間獨立的體繫結構， 目的是為了減輕程式運行時的訪存瓶頸。
例如最常見的捲積運算中， 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， 如果程式和數據通過一條匯流排訪問， 取指和取數必會產生衝突， 而這對大運算量的迴圈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衝突問題。
而對另一個操作數的訪問， 就只能採用Enhanced哈佛結構了， 例如像TI那樣，數據區再split， 並多一組匯流排。 或向AD那樣，採用指令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、指令解碼和執行指令。從指令流的定時關係也可看出馮·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，由於取指令和存取數據要從同一個存儲空間存取，經由同一匯流排傳輸，因而它們無法重疊執行，只有一個完成後再進行下一個。
如果採用哈佛結構處理以上同樣的3條存取數指令，由於取指令和存取數據分別經由不同的存儲空間和不同的匯流排，使得各條指令可以重疊執行，這樣，也就剋服了數據流傳輸的瓶頸，提高了運算速度。
3、馮·諾依曼體系和哈佛匯流排體系的區別
二者的區別就是程式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採用馮·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匯流排上，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。
哈佛匯流排技術應用是以DSP和ARM為代表的。採用哈佛匯流排體繫結構的晶元內部程式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晶元硬體結構有馮·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都是採用改進型哈佛結構，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晶元有所不同。在對外定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 哈佛體繫結構差別
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並存；
(2).使用獨立的兩條匯流排，分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑，而這兩條匯流排之間毫無關聯。
後來，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並存；
(2).具有一條獨立的地址匯流排和一條獨立的數據匯流排，利用公用地址匯流排訪問兩個存儲模塊（程式存儲模塊和數據存儲模塊），公用數據匯流排則被用來完成程式存儲模塊或數據存儲模塊與CPU之間的數據傳輸；
(3).兩條匯流排由程式存儲器和數據存儲器分時共用。
5.總結
體繫結構與採用的獨立與否的匯流排無關，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，但匯流排是分時復用得，所以屬於改進型的哈佛結構。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，成本低的匯流排結構。現在的處理器雖然外部匯流排上看是諾依曼結構的，但是由於內部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。至於優缺點，哈佛結構就是複雜，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難以採用這種結構。而單片機，由於內部集成了所需的存儲器，所以採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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作者：飛翔2017
來源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/feixiang_john/article/details/7925672
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