分类： 嵌入式
2013-12-16 11:02:41
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。
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、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯·诺伊曼结构。
哈佛结构和常见的冯诺依曼结构区别在于地址空间和数据空间分开与否。冯诺依曼结构数据空间和地址空间不分开，哈佛结构数据空间和地址空间是分开的。一般DSP都是采用改进型哈佛结构，就是分开的数据空间和地址空间都不只是一条，而是有多条，这根据不同的生产厂商的DSP芯片有所不同。 在对外寻址方面从逻辑上来说也是一样，因为外部引脚的原因，一般来说都是通过相应的 空间选取来实现的。本质上是同样的道理。
MCS-51单片机有着嵌入式处理器经典的体系结构，这种体系结构在当前嵌入式处理器的高端ARM系列上仍然在延续，这就是哈佛结构。相对于大名鼎鼎的冯·诺依曼结构，哈佛结构的知名度显然逊色许多，但在嵌入式应用领域，哈佛结构却拥有着绝对的优势。哈佛结构与冯·诺依曼结构的最大区别在于冯·诺依曼结构的计算机采用代码与数据的统一编址，而哈佛结构是独立编址的，代码空间与数据空间完全分开。
在通用计算机系统中，应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内容，并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配，这种情况下，冯·诺依曼结构占有绝对优势，因为统一编址可以最大限度地利用资源，而哈佛结构的计算机若应用于这种情形下则会对存储器资源产生理论上最大可达50%的浪费，这显然是不合理的。
但是在嵌入式应用中，系统要执行的任务相对单一，程序一般是固化在硬件里。当然这时使用冯·诺依曼结构也完全可以，代码区和数据区在编译时一次性分配好了而已，但是其灵活性得不到体现，所以现在大量的单片机也还在沿用冯·诺依曼结构，如TI的MSP430系列、Freescale的HCS08系列等。
那是为什么说哈佛结构有 优势呢？嵌入式计算机在工作时与通用计算机有着一些区别：嵌入式计算机在工作期间的绝大部分时间是无人值守的，而通用计算机工作期间一般是有人操作的；嵌 入式计算机的故障可能会导致灾难性的后果，而通用计算机一般就是死死机，重新启动即可。这两点决定了对嵌入式计算机的一个基本要求：可靠性。
使用冯·诺依曼结构的计算机，程序空间不封闭，期程序空间的数据在运行期理论上可以被修改，此外程序一旦跑飞也有可能运行到数据区。虽然都是一些不常见的特殊情况下，但是看看哈佛结构德计算机在这些情况下是怎样的：基于哈佛结构的处理器入MCS-51，不需要可以对代码段进行写操作的指令，所以不会有代码区被改写的问题；程序只能在封闭的代码区中运行，不可能跑到数据区，这也是跑飞的几率减少并且跑飞后的行为有规律（数据区的数据是不断变化的而代码区是不变的）。
所以，相对于冯·诺依曼结构，哈佛结构更加适合于那些程序固化、任务相对简单的控制系统。
老师：
冯.诺伊曼结构
1945年，冯.诺伊曼首先提出了“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，经由同一个总线传输，如下图所示：
图 冯.诺伊曼结构
冯.诺伊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，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，如下图所示，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯.诺伊曼结构处理器，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。
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，为了提高数据吞吐量，在数字信号处理器中大多采用哈佛结构，如下图所示
图 哈佛结构
与冯.诺伊曼结构处理器比较，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。
后来，又提出了改进的哈佛结构，如下图所示
图 改进型哈佛结构
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。
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，如下图所示，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯.诺伊曼结构处理器，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。
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，如下图所示，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，使得各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，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，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，因为各个电子娱乐产品中的软件升级比较少，应用程序可以用汇编作为内核，最高效率的利用流水线技术，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，且安装的软件的种类繁多，升级频繁，多种软件同时运
行时处理的优先级比较模糊，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，机械的分配优先和流水线反而容易使用户不便。
比如，你使用电脑过程中对暴风影音播放器的使用中，有时希望它最快打开，有时希望它的打开实在打开浏览器之后，因此人对个人电脑的软件使用习惯是很不同的。从而，致力于提高主频和缓存的冯诺依曼结构才是PC的最佳选择。
总结
体系结构与采用的独立与否的总线无关，与指令空间和数据空间的分开独立与否有关。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，所以属于改
进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构，但是之前的版本(例如ARM7)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
类似
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。
