冯诺依曼结构和哈佛结构02

冯.诺伊曼结构
    1945年&＃xff0c;冯.诺伊曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理&＃xff0c;后来&＃xff0c;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&＃xff0c;经由同一个总线传输&＃xff0c;如下图所示&＃xff1a;

图 冯.诺伊曼结构
    冯.诺伊曼结构处理器具有以下几个特点&＃xff1a;

必须有一个存储器&＃xff1b;

必须有一个控制器&＃xff1b;

必须有一个运算器&＃xff0c;用于完成算术运算和逻辑运算&＃xff1b;

必须有输入和输出设备&＃xff0c;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&＃xff0c;指令和操作数的地址又密切相关&＃xff0c;因此&＃xff0c;当初选择这种结构是自然的。但是&＃xff0c;这种指令和数据共享同一总线的结构&＃xff0c;使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈&＃xff0c;影响了数据处理速度的提高。   
    在典型情况下&＃xff0c;完成一条指令需要3个步骤&＃xff0c;即&＃xff1a;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&＃xff0c;如下图所示&＃xff0c;指令1至指令3均为存、取数指令&＃xff0c;对冯.诺伊曼结构处理器&＃xff0c;由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取&＃xff0c;经由同一总线传输&＃xff0c;因而它们无法重叠执行&＃xff0c;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&＃xff0c;为了提高数据吞吐量&＃xff0c;在数字信号处理器中大多采用哈佛结构&＃xff0c;如下图所示

图 哈佛结构
与冯.诺伊曼结构处理器比较&＃xff0c;哈佛结构处理器有两个明显的特点&＃xff1a;

使用两个独立的存储器模块&＃xff0c;分别存储指令和数据&＃xff0c;每个存储模块都不允许指令和数据并存&＃xff1b;

使用独立的两条总线&＃xff0c;分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径&＃xff0c;而这两条总线之间毫无关联。

    后来&＃xff0c;又提出了改进的哈佛结构&＃xff0c;如下图所示

图   改进型哈佛结构
其结构特点为&＃xff1a;

使用两个独立的存储器模块&＃xff0c;分别存储指令和数据&＃xff0c;每个存储模块都不允许指令和数据并存&＃xff0c;以便实现并行处理&＃xff1b;

具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线&＃xff0c;利用公用地址总线访问两个存储模块&＃xff08;程序存储模块和数据存储模块&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff1b;

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&＃xff0c;完成一条指令需要3个步骤&＃xff0c;即&＃xff1a;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&＃xff0c;如下图所示&＃xff0c;指令1至指令3均为存、取数指令&＃xff0c;对冯.诺伊曼结构处理器&＃xff0c;由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取&＃xff0c;经由同一总线传输&＃xff0c;因而它们无法重叠执行&＃xff0c;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&＃xff0c;如下图所示&＃xff0c;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&＃xff0c;使得各条指令可以重叠执行&＃xff0c;这样&＃xff0c;也就克服了数据流传输的瓶颈&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;因为各个电子娱乐产品中的软件升级比较少&＃xff0c;应用程序可以用汇编作为内核&＃xff0c;最高效率的利用流水线技术&＃xff0c;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&＃xff0c;且安装的软件的种类繁多&＃xff0c;升级频繁&＃xff0c;多种软件同时运行时处理的优先级比较模糊&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;但效率偏低&＃xff1b;哈佛结构效率高但复杂&＃xff0c;对外围设备的连接与处理要求高&＃xff0c;十分不适合外围存储器的扩展。现在的处理器&＃xff0c;依托CACHE的存在&＃xff0c;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&＃xff0c;但是由于内部CACHE的存在&＃xff0c;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&＃xff0c;由于内部集成了所需的存储器&＃xff0c;所以采用哈佛结构也未尝不可