馮諾曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)的區(qū)別

1、哈佛結(jié)構(gòu)與馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲(chǔ)的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的M

2、C68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11。馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。目前使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086，英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)和常見的馮諾依曼結(jié)

3、構(gòu)區(qū)別在于地址空間和數(shù)據(jù)空間分開與否。馮諾依曼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)空間和地址空間不分開，哈佛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)空間和地址空間是分開的。一般DSP都是采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，就是分開的數(shù)據(jù)空間和地址空間都不只是一條，而是有多條，這根據(jù)不同的生產(chǎn)廠商的DSP芯片有所不同。 在對(duì)外尋址方面從邏輯上來說也是一樣，因?yàn)橥獠恳_的原因，一般來說都是通過相應(yīng)的 空間選取來實(shí)現(xiàn)的。本質(zhì)上是同樣的道理。MCS-51單片機(jī)有著嵌入式處理器經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)在當(dāng)前嵌入式處理器的高端ARM系列上仍然在延續(xù)，這就是哈佛結(jié)構(gòu)。相對(duì)于大名鼎鼎的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)的知名度顯然遜色許多，但在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，哈佛結(jié)構(gòu)卻擁有著絕對(duì)

4、的優(yōu)勢(shì)。哈佛結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別在于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)采用代碼與數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編址，而哈佛結(jié)構(gòu)是獨(dú)立編址的，代碼空間與數(shù)據(jù)空間完全分開。在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件的多樣性使得計(jì)算機(jī)要不斷地變化所執(zhí)行的代碼的內(nèi)容，并且頻繁地對(duì)數(shù)據(jù)與代碼占有的存儲(chǔ)器進(jìn)行重新分配，這種情況下，馮·諾依曼結(jié)構(gòu)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榻y(tǒng)一編址可以最大限度地利用資源，而哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)若應(yīng)用于這種情形下則會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器資源產(chǎn)生理論上最大可達(dá)50%的浪費(fèi)，這顯然是不合理的。 但是在嵌入式應(yīng)用中，系統(tǒng)要執(zhí)行的任務(wù)相對(duì)單一，程序一般是固化在硬件里。當(dāng)然這時(shí)使用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也完全可以，

5、代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)在編譯時(shí)一次性分配好了而已，但是其靈活性得不到體現(xiàn)，所以現(xiàn)在大量的單片機(jī)也還在沿用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，如TI的MSP430系列、Freescale的HCS08系列等。那是為什么說哈佛結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢(shì)呢？嵌入式計(jì)算機(jī)在工作時(shí)與通用計(jì)算機(jī)有著一些區(qū)別：嵌入式計(jì)算機(jī)在工作期間的絕大部分時(shí)間是無人值守的，而通用計(jì)算機(jī)工作期間一般是有人操作的；嵌入式計(jì)算機(jī)的故障可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，而通用計(jì)算機(jī)一般就是死死機(jī)，重新啟動(dòng)即可。這兩點(diǎn)決定了對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)的一個(gè)基本要求：可靠性。使用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，程序空間不封閉，期程序空間的數(shù)據(jù)在運(yùn)行期理論上可以被修改，此外程序一旦跑飛也有

6、可能運(yùn)行到數(shù)據(jù)區(qū)。雖然都是一些不常見的特殊情況下，但是看看哈佛結(jié)構(gòu)德計(jì)算機(jī)在這些情況下是怎樣的：基于哈佛結(jié)構(gòu)的處理器入MCS-51，不需要可以對(duì)代碼段進(jìn)行寫操作的指令，所以不會(huì)有代碼區(qū)被改寫的問題；程序只能在封閉的代碼區(qū)中運(yùn)行，不可能跑到數(shù)據(jù)區(qū)，這也是跑飛的幾率減少并且跑飛后的行為有規(guī)律（數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)是不斷變化的而代碼區(qū)是不變的）。所以，相對(duì)于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)更加適合于那些程序固化、任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。馮.諾曼結(jié)構(gòu)    1945年，馮.諾曼首先提出了“存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理，后來，人們把利用這種概念和原理設(shè)計(jì)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)稱為“馮

7、.諾曼型結(jié)構(gòu)”計(jì)算機(jī)。馮.諾曼結(jié)構(gòu)的處理器使用同一個(gè)存儲(chǔ)器，經(jīng)由同一個(gè)總線傳輸，如下圖所示：圖  馮.諾曼結(jié)構(gòu)    馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：· 必須有一個(gè)存儲(chǔ)器； · 必須有一個(gè)控制器； · 必須有一個(gè)運(yùn)算器，用于完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算； · 必須有輸入和輸出設(shè)備，用于進(jìn)行人機(jī)通信。     馮.諾曼的主要貢獻(xiàn)就是提出并實(shí)現(xiàn)了“存儲(chǔ)程序”的概念。由于指令和數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制碼，指令和操作數(shù)的地址又密切相關(guān)，因此，當(dāng)初選擇這種結(jié)構(gòu)是自然的。但是，這種指令和數(shù)據(jù)共享同一總線的結(jié)構(gòu)

8、，使得信息流的傳輸成為限制計(jì)算機(jī)性能的瓶頸，影響了數(shù)據(jù)處理速度的提高。       在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。從指令流的定時(shí)關(guān)系也可看出馮.諾曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)處理方式的差別。舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作的指令，如下圖所示，指令1至指令3均為存、取數(shù)指令，對(duì)馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)。圖  馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖哈佛結(jié)構(gòu)    數(shù)字信號(hào)處理一般需

9、要較大的運(yùn)算量和較高的運(yùn)算速度，為了提高數(shù)據(jù)吞吐量，在數(shù)字信號(hào)處理器中大多采用哈佛結(jié)構(gòu)，如下圖所示：圖  哈佛結(jié)構(gòu)與馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器比較，哈佛結(jié)構(gòu)處理器有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：· 使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存； · 使用獨(dú)立的兩條總線，分別作為CPU與每個(gè)存儲(chǔ)器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間毫無關(guān)聯(lián)。     后來，又提出了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，如下圖所示：圖   改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為： · 使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都

10、不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實(shí)現(xiàn)并行處理； · 具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個(gè)存儲(chǔ)模塊（程序存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲(chǔ)模塊或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸； · 兩條總線由程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分時(shí)共用。     在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。從指令流的定時(shí)關(guān)系也可看出馮.諾曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)處理方式的差別。舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作的指令，如下圖所示，指令1至指令3均為存、取數(shù)指令，對(duì)馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)。圖  馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖    如果采用哈佛結(jié)構(gòu)