冯.诺曼结构与哈佛结构的区别

哈佛结构与冯 诺伊曼结构 哈佛结构哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构 中央处理器首先到程 序指令存储器中读取程序指令内容 解码后得到数据地址 再到相应的数据存储器中读取 数据 并进行下一步的操作 通常是执行 程序指令存储和数据存储分开 可以使指令和 数据有不同的数据宽度 如 Microchip 公司的 PIC16 芯片的程序指令是 14 位宽度 而数据 是 8 位宽度 哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率 其程序指令和数据指令分开组织和存 储的 执行时可以预先读取下一条指令 目前使用哈佛结构的中央处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 还有摩托罗拉公司的 MC68 系列 Zilog 公司的 Z8 系列 ATMEL 公司的 AVR 系列和安谋公司的 ARM9 ARM10 和 ARM11 冯冯 诺伊曼结构诺伊曼结构 也称普林斯顿结构 是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一 起的存储器结构 程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置 因此程序指令和数据的宽度相同 如英特尔公司的 8086 中央处理器的程序指令和数据都是 16 位宽 目前使用冯 诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多 除了上面提到的英特尔公司 的 8086 英特尔公司的其他中央处理器 安谋公司的 ARM7 MIPS 公司的 MIPS 处理器 也采用了冯 诺伊曼结构 哈佛结构和常见的冯诺依曼结构区别在于地址空间和数据空间分开与否 冯诺依曼结 构数据空间和地址空间不分开 哈佛结构数据空间和地址空间是分开的 一般 DSP 都是采 用改进型哈佛结构 就是分开的数据空间和地址空间都不只是一条 而是有多条 这根据 不同的生产厂商的 DSP 芯片有所不同 在对外寻址方面从逻辑上来说也是一样 因为外 部引脚的原因 一般来说都是通过相应的 空间选取来实现的 本质上是同样的道理 MCS 51 单片机有着嵌入式处理器经典的体系结构 这种体系结构在当前嵌入式处理 器的高端 ARM 系列上仍然在延续 这就是哈佛结构 相对于大名鼎鼎的冯 诺依曼结构 哈佛结构的知名度显然逊色许多 但在嵌入式应用领域 哈佛结构却拥有着绝对的优势 哈佛结构与冯 诺依曼结构的最大区别在于冯 诺依曼结构的计算机采用代码与数据的统一 编址 而哈佛结构是独立编址的 代码空间与数据空间完全分开 在通用计算机系统中 应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内 容 并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配 这种情况下 冯 诺依曼结构占 有绝对优势 因为统一编址可以最大限度地利用资源 而哈佛结构的计算机若应用于这种 情形下则会对存储器资源产生理论上最大可达 50 的浪费 这显然是不合理的 但是在嵌入式应用中 系统要执行的任务相对单一 程序一般是固化在硬件里 当然 这时使用冯 诺依曼结构也完全可以 代码区和数据区在编译时一次性分配好了而已 但是 其灵活性得不到体现 所以现在大量的单片机也还在沿用冯 诺依曼结构 如 TI 的 MSP430 系列 Freescale 的 HCS08 系列等 那是为什么说哈佛结构有优势呢 嵌入式计算机在工作时与通用计算机有着一些区别 嵌入式计算机在工作期间的绝大部分时间是无人值守的 而通用计算机工作期间一般是有 人操作的 嵌入式计算机的故障可能会导致灾难性的后果 而通用计算机一般就是死死机 重新启动即可 这两点决定了对嵌入式计算机的一个基本要求 可靠性 使用冯 诺依曼结构的计算机 程序空间不封闭 期程序空间的数据在运行期理论上可 以被修改 此外程序一旦跑飞也有可能运行到数据区 虽然都是一些不常见的特殊情况下 但是看看哈佛结构德计算机在这些情况下是怎样的 基于哈佛结构的处理器入 MCS 51 不需要可以对代码段进行写操作的指令 所以不会有代码区被改写的问题 程序只能在封 闭的代码区中运行 不可能跑到数据区 这也是跑飞的几率减少并且跑飞后的行为有规律 数据区的数据是不断变化的而代码区是不变的 所以 相对于冯 诺依曼结构 哈佛结构更加适合于那些程序固化 任务相对简单的控 制系统 冯冯 诺曼结构诺曼结构 1945 年 冯 诺曼首先提出了 存储程序 的概念和二进制原理 后来 人们把利用 这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为 冯 诺曼型结构 计算机 冯 诺曼结构的 处理器使用同一个存储器 经由同一个总线传输 如下图所示 图 冯 诺曼结构 冯 诺曼结构处理器具有以下几个特点 必须有一个存储器 必须有一个控制器 必须有一个运算器 用于完成算术运算和逻辑运算 必须有输入和输出设备 用于进行人机通信 冯 诺曼的主要贡献就是提出并实现了 存储程序 的概念 由于指令和数据都是二进 制码 指令和操作数的地址又密切相关 因此 当初选择这种结构是自然的 但是 这种 指令和数据共享同一总线的结构 使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈 影响了 数据处理速度的提高 在典型情况下 完成一条指令需要 3 个步骤 即 取指令 指令译码和执行指令 从指 令流的定时关系也可看出冯 诺曼结构与哈佛结构处理方式的差别 举一个最简单的对存储 器进行读写操作的指令 如下图所示 指令 1 至指令 3 均为存 取数指令 对冯 诺曼结构 处理器 由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取 经由同一总线传输 因而它们 无法重叠执行 只有一个完成后再进行下一个 图 冯 诺曼结构处理器指令流的定时关系示意图 哈佛结构哈佛结构 数字信号处理一般需要较大的运算量和较高的运算速度 为了提高数据吞吐量 在数字 信号处理器中大多采用哈佛结构 如下图所示 图 哈佛结构 与冯 诺曼结构处理器比较 哈佛结构处理器有两个明显的特点 使用两个独立的存储器模块 分别存储指令和数据 每个存储模块都不允许指令和 数据并存 使用独立的两条总线 分别作为 CPU 与每个存储器之间的专用通信路径 而这两条 总线之间毫无关联 后来 又提出了改进的哈佛结构 如下图所示 图 改进型哈佛结构 其结构特点为 使用两个独立的存储器模块 分别存储指令和数据 每个存储模块都不允许指令和 数据并存 以便实现并行处理 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线 利用公用地址总线访问两个存储 模块 程序存储模块和数据存储模块 公用数据总线则被用来完成程序存储模块 或数据存储模块与 CPU 之间的数据传输 两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用 在典型情况下 完成一条指令需要 3 个步骤 即 取指令 指令译码和执行指令 从指 令流的定时关系也可看出冯 诺曼结构与哈佛结构处理方式的差别 举一个最简单的对存储 器进行读写操作的指令 如下图所示 指令 1 至指令 3 均为存 取数指令 对冯 诺曼结构 处理器 由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取 经由同一总线传输 因而它们 无法重叠执行 只有一个完成后再进行下一个 图 冯 诺曼结构处理器指令流的定时关系示