冯·诺伊曼结构和哈佛结构

       冯·诺伊曼结构

       冯·诺伊曼结构，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。

　　目前使用冯·诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特尔公司的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·诺伊曼结构。

       1945年，冯·诺依曼首先提出了“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·诺曼型结构”计算机。冯·诺曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输。
　　
     冯·诺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·诺依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·诺依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，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯·诺曼结构处理器，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。

       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。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，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

　　哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。目前使用哈佛结构的中央处理器和 微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的 AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11。

　　哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构，目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。

　　例如最常见的卷积运算中, 一条指令同时取两个操作数, 在流水线处理时, 同时还有一个取指操作, 如果程序和数据通过一条总线访问, 取指和取数必会产生冲突，而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的。哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题。而对另一个操作数的访问，就只能采用 Enhanced哈佛结构了，例如像TI那样，数据区再split，并多一组总线。或向AD那样，采用指令cache，指令区可存放一部分数据。

       在DSP算法中，最大量的工作之一是与存储器交换信息，这其中包括作为输入信号的采样数据、滤波器系数和程序指令。例如，如果将保存在存储器中的2个数相乘，就需要从存储器中取3个二进制数，即2个要乘的数和1个描述如何去做的程序指令。目前DSP内部一般采用的是哈佛结构，它在片内至少有4套总线：程序 的数据总线，程序的地址总线，数据的数据总线和数据的地址总线。这种分离的程序总线和数据总线，可允许同时获取指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数 据存储器)，而互不干扰。这意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数。有的DSP芯片内部还包含有其他总线，如DMA总线等，可实现单周期内完 成更多的工作。这种多总线结构就好像在DSP内部架起了四通八达的高速公路，保障运算单元及时地取到需要的数据，提高运算速度。因此，对DSP来说，内部 总线是个资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂。超级哈佛结构(super Harvard architecture，缩写为SHARC)，它在哈佛结构上增加了指令cache(缓存)和专用的I/O控制器。

        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。

       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。

        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。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。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。