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通用的微處理 哈佛結構和馮·諾依曼結構的區別

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ID:140343 發表于 2016-9-25 11:14 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
通用的微處理采用馮.諾依曼結構,即程序指令和數據共用一個存儲空間及單一的地址 和數據總線。為進一步提高運算速度,以滿足實時信號處理的要求,當前的 DSP 芯片采用
哈佛結構。所謂哈佛結構,是將指令和數據的存儲空間分開。這樣使得處理指令和處理數據 可以同時進行,從而大大提高處理效率。  

哈佛結構和馮·諾依曼結構的區別

哈佛結構

(英語Harvard architecture)是一種將程序指令儲存和數據儲存分開的存儲器結構中央處理器首先到程序指令儲存器中讀取程序指令內容,解碼后得到數據地址,再到相應的數據儲存器中讀取數據,并進行下一步的操作(通常是執行)。程序指令儲存和數據儲存分開,數據和指令的儲存可以同時進行,可以使指令和數據有不同的數據寬度,如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度,而數據是8位寬度。
與馮.諾曼結構處理器比較,哈佛結構處理器有兩個明顯的特點:
1、使用兩個獨立的存儲器模塊,分別存儲指令和數據,每個存儲模塊都不允許指令和數據并存;
2、使用獨立的兩條總線,分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑,而這兩條總線之間毫無關聯。
改進的哈佛結構,其結構特點為:
1、使用兩個獨立的存儲器模塊,分別存儲指令和數據,每個存儲模塊都不允許指令和數據并存,以便實現并行處理;
2、具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數據總線,利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊(程序存儲模塊和數據存儲模塊),公用數據總線則被用來完成程序存儲模塊或數據存儲模塊與CPU之間的數據傳輸;
    哈佛結構的微處理器通常具有較高的執行效率。其程序指令和數據指令分開組織和儲存的,執行時可以預先讀取下一條指令目前使用哈佛結構的中央處理器微控制器有很多,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MC68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·諾伊曼結構
von Neumann architecture),也稱普林斯頓結構,是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的電腦設計概念結構。本詞描述的是一種實作通用圖靈機的計算裝置,以及一種相對于平行計算的序列式結構參考模型(referential model)。
本結構隱約指導了將儲存裝置與中央處理器分開的概念,因此依本結構設計出的計算機又稱儲存程式型電腦。
    馮.諾曼結構處理器具有以下幾個特點:
必須有一個存儲器;
必須有一個控制器;
必須有一個運算器,用于完成算術運算和邏輯運算;
必須有輸入和輸出設備,用于進行人機通信。


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作者:Cascade
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權,非商業轉載請注明出處。

在現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,但實際中很難達到這種理想化的狀態。

哈佛結構和馮諾依曼結構主要區別在是否區分指令與數據。在教科書里這是兩種截然不同的做法。

實際上在內存里,指令和數據是在一起的。而在CPU內的緩存中,還是會區分指令緩存和數據緩存,最終執行的時候,指令和數據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內部用的是哈佛結構。

大部分的DSP都沒有緩存,因而直接就是哈佛結構。

哈佛結構設計復雜,但效率高。馮諾依曼結構則比較簡單,但也比較慢。CPU廠商為了提高處理速度,在CPU內增加了高速緩存。也基于同樣的目的,區分了指令緩存和數據緩存。有時為了解決現實問題,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構意義不大。


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實際上,絕大多數現代計算機使用的是所謂的“Modified Harvard Architecture”,指令和數據共享同一個 address space,但緩存是分開的。可以說是兩種架構的一種折中吧。
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按照吳軍先生這篇文章《
#文明之光#之#發明365# 第18集 馮諾依曼系統結構和電子計算機的發明
》Sina Visitor System來看
其實馮諾依曼的核心思想是指令和數據都能從存儲器中讀出…至于是存一塊還是分開,這并不是什么本質差別
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因為 PC 市場已經被 微軟 和 IBM-PC 架構壟斷了。

但是,實際上 哈佛結構只不過是“程序”和“存儲”分離,然而內存就那個樣子,好比你就插了一條內存條,怎么實現指令和數據分開“同時”讀取呢?cache。現在 intel 的處理器雖說是“CISC”但是也應用了大量的RISC思想。當今的處理器速度已經如此高,intel有很長的流水線,如果指令和數據還不分開同時讀取這會極大的影響流水線的效率。所以在流水線設計中有多個cache,而數據和指令一般會同時緩存進Cache,這樣在處理器流水線作業時其實也有哈佛結構的影子。

界限我說不好是什么樣子,就像RISC 和 CISC 應該沒有一道絕對的墻把它們區別開。

參考 intel 處理器體系結構的發展。
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存儲的時候很難分清一段代碼是數據還是指令。比如現在python、ruby這種解釋性語言,他們都是用最原始的字符串存儲的。所以實際上代碼什么的都是被當做普通的數據存在文件系統里。只有到了執行,階段,OS可以明確的知道哪部分是交給CPU去執行的指令,哪部分是數據,才會有區分。這里的區分主要是cache的區分,因為data和instruction的locality不同,所以他們的cache的設計有所不同。
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現代計算機都是數據 cache 跟指令 cache 分開的,而在芯片外是共享內存( 即使現在的多核芯片現在也在共享內存 )。
也就是說內部表現為哈佛結構,外部表現為馮諾以曼結構。




至于為何還在使用這種「馮諾以曼」結構,我覺得可能因為這種結構在現在大量采用的「虛擬存儲器」技術下組織起來更方便吧。

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