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冯诺依曼结构和哈佛结构02

冯.诺伊曼结构1945年,冯.诺伊曼首先提出了“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

冯.诺伊曼结构
    1945年,冯.诺伊曼首先提出了“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.诺伊曼型结构”计算机。冯.诺伊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.诺伊曼结构
    冯.诺伊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.诺伊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.诺伊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.诺伊曼结构处理器,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
    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.诺伊曼结构处理器比较,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.诺伊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.诺伊曼结构处理器,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
    如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令,如下图所示,由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线,使得各条指令可以重叠执行,这样,也就克服了数据流传输的瓶颈,提高了运算速度。
    哈佛结构强调了总的系统速度以及通讯和处理器配置方面的灵活性。

图 哈佛结构处理器指令流的定时关系示意图
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    总得来说,哈佛机构的高性能体现在在单片机、DSP芯片平台上运行的程序种类和花样较少,因为各个电子娱乐产品中的软件升级比较少,应用程序可以用汇编作为内核,最高效率的利用流水线技术,获得最高的效率。

     冯诺依曼结构主要是基于电脑购买者对电脑的使用途径不同----各种娱乐型用户、各种专业开发用户等,且安装的软件的种类繁多,升级频繁,多种软件同时运行时处理的优先级比较模糊,因特尔芯片不具备彻底智能分配各程序优先级和流水线的机制,机械的分配优先和流水线反而容易使用户不便。

总结
      冯氏结构简单、易实现、成本低,但效率偏低;哈佛结构效率高但复杂,对外围设备的连接与处理要求高,十分不适合外围存储器的扩展。现在的处理器,依托CACHE的存在,已经很好的将二者统一起来了。现在的处理器虽然外部总线上看是诺依曼结构的,但是由于内部CACHE的存在,因此实际上内部来看已经类似改进型哈佛结构的了。而单片机,由于内部集成了所需的存储器,所以采用哈佛结构也未尝不可



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杨子忧愁_347
这个家伙很懒,什么也没留下!
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