处理器体系架构

处理器体系架构

处理器结构分为两种：一种是冯.诺依曼结构；另一种是哈弗结构。

一、冯.诺依曼结构

冯.诺依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。



使用冯·诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多。除了英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理器、ARM的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯·诺依曼结构。

特点

冯.诺依曼结构处理器具有以下几个特点：

1：必须有一个存储器；

2：必须有一个控制器；

3：必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；

4：必须有输入设备和输出设备，用于进行人机通信。

另外，程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作

冯·诺依曼结构功能

根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：

1.把需要的程序和数据送至计算机中。

2.必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

3.能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。

4.能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，

包括：

1.输入数据和程序的输入设备；

2.记忆程序和数据的存储器；

3.完成数据加工处理的运算器；

4.控制程序执行的控制器；

5.输出处理结果的输出设备。

二、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。哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，提高了数据的吞吐率。又由于程序和数据存储在两个分开的物理空间中，因此取址和执行能完全重叠。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。



哈佛结构的计算机由CPU、程序存储器和数据存储器组成，程序存储器和数据存储器采用不同的总线，从而提供了较大的存储器带宽，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的数字信号处理性能。

哈佛结构是一种处理器结构。使用哈佛结构的处理器有：AVR、ARM9、ARM10、ARM11等。

改进的哈佛结构，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。

51单片机虽然数据指令存储区是分开的，但总线是分时复用得，所以顶多算改进型的哈佛结构

三、二者比较

哈佛结构与冯·诺依曼结构处理器相比，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。

冯·诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中；必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；能够按照要求将处理结果输出给用户。

哈佛结构是为了高速数据处理而采用的，因为可以同时读取指令和数据（分开存储的）。大大提高了数据吞吐率，缺点是结构复杂。通用微机指令和数据是混合存储的，结构上简单，成本低。假设是哈佛结构：你就得在电脑安装两块硬盘，一块装程序，一块装数据，内存装两根，一根储存指令，一根存储数据……

是什么结构要看总线结构的。51单片机虽然数据指令存储区是分开的，但总线是分时复用得，所以顶多算改进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构，但是之前的版本也还是冯·诺依曼结构。早期的X86能迅速占有市场，一条很重要的原因，正是靠了冯·诺依曼这种实现简单，成本低的总线结构。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算是改进型哈佛结构的了。至于优缺点，哈佛结构就是复杂，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。所以早期通用CPU难以采用这种结构。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。处理器，依托CACHE的存在，已经很好的将二者统一起来了。