第一节 趣讲51单片机之哈佛结构与流水线

趣讲51单片机--哈佛结构与流水线

51单片机为哈佛结构，单流水线（也可以说是无流水线）处理器。

1、为什么说51单片机是哈佛结构。

因为51单片机的数据存储器和程序存储器是在物理上分离的，数据存储器就是单片机的RAM，而程序存储器是单片机的ROM。

在数据存储器上不允许存储指令，在指令存储器上不允许存储数据。

这两块存储器分别使用独立的两条总线，作为CPU与每个存储器的专用通信线。

下图为网上流传的一个哈佛结构图。

很明显，控制单元能够同时和指令存储器、数据存储器进行通讯，51单片机的ROM读写速度还是挺慢的，特别是写，您在烧写程序的时候应该能感觉到，读的速度比写要好很多，虽然跟RAM比有一定的差距，所以，51单片机代码放在ROM中。

当然，你也可以将程序读入到一个RAM中，只要不是与数据在同一个RAM，那么指令读写速度会上去，而结构还是哈佛结构。 

而我们的通用计算机是冯.诺依曼结构，数据和程序存储器是不分离的。

如下图，是网上流传的冯.诺依曼体系结构：

可以看出，只有一个Memory。

我们PC机上的软件首先是在硬盘上，有点类似于ROM，都是非挥发性的存储介质。

在我们双击软件时，操作系统通过加载器将硬盘上的可执行文件加载到内存中，内存类似于51中的RAM，后续的执行过程，指令直接从内存中读取，而数据也是在内存中。

总结一下，冯.诺依曼结构的系统，取数据和取指令是在同一个存储器上进行的，而哈佛结构是在两块存储器上分别取的。

那冯.诺依曼结构就不怕程序将代码区修改吗？

windows下的可执行文件为PE（Portable Executable）格式，而Linux下是ELF（Executable Linkable Format）格式，他们都是从COFF（Common File Format）发展而来，而COFF是将可执行文件分为多个段，包括代码段和数据段之分，代码段是只读的，而数据段是可读写的，这些属性在可执行文件中就已经标注好了。所以，操作系统会保护代码段不受破坏。

我的理解是，哈佛结构在硬件级别进行代码和数据的区分，而冯诺依曼结构是在可执行文件（软件级别）进行区分。

至于对于没有操作系统的冯.诺依曼结构系统的裸机开发，如何保证代码段不被破坏，原谅本人才疏学浅，没懂。

 

2、51单片机是单流水线结构

来解释另外一个现象，51单片机的1个状态周期等于2个振荡周期，而1个机器周期等于6个状态周期。

算下来，1个机器周期就等于12个振荡周期。这，也应该是51单片机速度慢的原因吧。

那为什么不能一个振荡周期就执行一条指令呢？

孩子，你太天真了。指令指令的过程分为很多步，简单说来，至少有3步，取指令->译码->执行；这每一步都是一个状态，得一步一步来，一个状态一个状态过去，从一个状态跳到另一个状态就需要时钟的驱动；另外加上数据存储、数据回写入寄存器等其他状态，那得经过好几个状态才能执行完一台指令。而51单片机需要6个状态，具体每个状态干什么，大家可以参考相关文献。

 那有人就想了，这速度也太龟速了吧。那能不能我在执行的时候同时进行译码和取指令呢？

这就产生了流水线的概念，生活中我们流水线看的很多，就是一件事分成很多个小步骤，每个小步骤由一个人完成，流水线的上游给下游提供资源，下游处理好后，再传递给下下游。这样，效率大大的提高，用一句口号来说，就是极大的解放了生产力。

单片机里面也是，51单片机里面只有1个“小人”，这个人是多面手，既会取指令，又会译码，又会执行，但是，每执行一步，都需要一个T时间，那么执行一条指令，就需要3个T。而3级流水线的处理器就不一样了，它里面有3个小人，每个小人都是专才，第一个只会取指令，并交个第二个小人，第二个只会译码，并将译码结果交个第三个小人，第三个小人是终结者，将指令执行完，虽然每个小人只执行一件事，时间也都是1个T，但是，可以说1个T就能执行一条指令，因为这3个小人在同时工作。这应该就是传说中的3个臭皮匠，气死一个诸葛亮吧，哈哈。

 由上面分析可以看出，如果要提高处理器的处理速度，有两个方法（目前我所知道的）：

提高时钟周期频率：就是让每个小人的处理速度都快起来，那么，干完一件事（执行完一条指令）的时间就短了。当然，不能无限制的使用太高频率，每个处理器的硬件对频率都有限制。

增加小人的个数，也就是增加流水线级数。如果一件事，一个人做需要T时间，那四个人同时做，就只需要T/4时间，关键问题是，这件事如何分，也就是一条指令执行的状态怎么分。我们说DSP的处理速度很快，为什么？就是因为它的流水线级数很深，人多力量大嘛。但是，人多，也就难管理了，这也是51单片机比DSP简单得多的原因吧，因为51单片机只需要管理一个小人而已，它是单流水线的。