CPU與哈佛結(jié)構(gòu)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及各自特點

現(xiàn)代的CPU基本上歸為馮諾伊曼結(jié)構(gòu)（也成普林斯頓結(jié)構(gòu)）和哈佛結(jié)構(gòu)。

馮洛伊曼結(jié)構(gòu)就是我們所說的X86架構(gòu)，而哈佛結(jié)構(gòu)就是ARM架構(gòu)。一個廣泛用于桌面端（臺式/筆記本/服務器/工作站等），一個雄踞移動領(lǐng)域，我們的手持設(shè)備（平板手機用的大多就是他了）。

01馮·諾依曼體系

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)圖如下

馮·諾依曼體系的特點：

A、數(shù)據(jù)與指令都存儲在同一存儲區(qū)中，取指令與取數(shù)據(jù)利用同一數(shù)據(jù)總線。

B、被早期大多數(shù)計算機所采用。

C、ARM7——馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)簡單，但速度較慢。取指不能同時取數(shù)據(jù)

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，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。

馮。諾依曼結(jié)構(gòu)處理器具有以下幾個特點：

1：必須有一個存儲器；

2：必須有一個控制器；3：必須有一個運算器，用于完成算術(shù)運算和邏輯運算；4：必須有輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，用于進行人機通信。另外，程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲并在程序控制下自動工作。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：英特爾公司的8086。英特爾公司的其他中央處理器。ARM的ARM7。MIPS公司的MIPS處理器。

02哈佛體系

哈佛體系結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)特點：

A、程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開。

B、提供了較大的存儲器帶寬，各自有自己的總線。

C、適合于數(shù)字信號處理。

D、大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)。

E、ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)，取指和取數(shù)在同一周期進行，提高速度，改進哈佛體系結(jié)構(gòu)分成三個存儲區(qū)：程序、數(shù)據(jù)、程序和數(shù)據(jù)共用。

哈佛結(jié)構(gòu)是一種存儲器并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。

哈佛結(jié)構(gòu)能基本上解決取指和取數(shù)的沖突問題。而對另一個操作數(shù)的訪問，就只能采用Enhanced哈佛結(jié)構(gòu)了，例如像TI那樣，數(shù)據(jù)區(qū)再split，并多一組總線。或向AD那樣，采用指令cache，指令區(qū)可存放一部分數(shù)據(jù)。。

哈佛結(jié)構(gòu)：

1、ARM（除arm7）

2、大部分DSP

哈佛體系架構(gòu)有個致命的弱點在動態(tài)加載程序上面，想象我們從外存中讀取一段程序然后加載到RAM，這個程序是在數(shù)據(jù)內(nèi)存當中的，我們需要一種機制將數(shù)據(jù)內(nèi)存再傳輸?shù)匠绦騼?nèi)存當中去，這反而增加了設(shè)備復雜度。

對于多任務操作系統(tǒng)來說，管理程序內(nèi)存是一件非常重要的事情，而且僅僅是保護模式下的頁面映射等等機制就已經(jīng)足夠復雜了，如果還要求將程序和數(shù)據(jù)分開管理，復雜度就太高了。這種時候馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)就有非常大的優(yōu)勢了。

03arm和哈佛、馮·諾依曼的關(guān)系

哈佛架構(gòu)是針對cpu從cache中取指而言，指令和數(shù)據(jù)在主存中并未分開，但在加載到cache中的時候被分離為指令和數(shù)據(jù)兩份存儲空間，cpu可以同時從cache取到指令和數(shù)據(jù)。

所以arm系統(tǒng)CPU（除arm7）對外表現(xiàn)為馮。諾伊曼架構(gòu)，對內(nèi)則表現(xiàn)為哈佛架構(gòu)。

04實際芯片制造

實際上，絕大多數(shù)現(xiàn)代計算機使用的是所謂的“ModifiedHarvard Architecture”，指令和數(shù)據(jù)共享同一個address space，但緩存是分開的?？梢哉f是兩種架構(gòu)的一種折中吧。

在現(xiàn)實世界中很少有非常純粹的概念，特別是在實際的應用里。教科書里的大多是理想化的模型，便于掌握某個概念的重點和本質(zhì)，但實際中很難達到這種理想化的狀態(tài)。

哈佛結(jié)構(gòu)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在是否區(qū)分指令與數(shù)據(jù)。在教科書里這是兩種截然不同的做法。

但實際上在內(nèi)存里，指令和數(shù)據(jù)是在一起的。而在CPU內(nèi)的緩存中，還是會區(qū)分指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，最終執(zhí)行的時候，指令和數(shù)據(jù)是從兩個不同的地方出來的。你可以理解為在CPU外部，采用的是馮諾依曼模型，而在CPU內(nèi)部用的是哈佛結(jié)構(gòu)。

大部分的DSP都沒有緩存，因而直接就是哈佛結(jié)構(gòu)。

哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，但效率高。馮諾依曼結(jié)構(gòu)則比較簡單，但也比較慢。CPU廠商為了提高處理速度，在CPU內(nèi)增加了高速緩存。也基于同樣的目的，區(qū)分了指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。有時為了解決現(xiàn)實問題，究竟是什么主義真的沒那么重要。因而個人認為爭論到底是哪種結(jié)構(gòu)意義不大。
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