嵌入式處理器哈佛結(jié)構(gòu)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)的介紹和區(qū)別及優(yōu)勢說明

　　相信學(xué)過計(jì)算機(jī)技術(shù)這門課程的讀者都知道，通用CPU采用的是馮。諾依曼結(jié)構(gòu)，而很多嵌入式處理器多采用哈佛結(jié)構(gòu)，那么這兩種結(jié)構(gòu)究竟有什么區(qū)別，各自有什么優(yōu)勢，在進(jìn)入嵌入式處理器的學(xué)習(xí)之前有必要先搞清楚這個(gè)問題。因此在開始嵌入式處理器的學(xué)習(xí)之前先讓我們來了解一下這兩種結(jié)構(gòu)。

　　（1）哈佛結(jié)構(gòu)

　　哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard）是哈佛大學(xué)物理學(xué)家A·Howard于1930年提出的，其結(jié)構(gòu)原理如圖 1.1所示。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)器中，每個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問，這一點(diǎn)是與馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。該結(jié)構(gòu)在片內(nèi)設(shè)置了與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對應(yīng)的程序總線和數(shù)據(jù)總線，取指令和執(zhí)行能重疊運(yùn)行，故數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。

　　哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲(chǔ)的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。

　　目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、最為常用的8051系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10、ARM11以及本書的主角Cortex-M3系列。

　　哈佛結(jié)構(gòu)是指程序和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)， 目的是為了減輕程序運(yùn)行時(shí)的訪存瓶頸。

　　例如當(dāng)一條指令同時(shí)取兩個(gè)操作數(shù)， 在流水線處理時(shí)， 同時(shí)還有一個(gè)取指操作， 如果程序和數(shù)據(jù)通過一條總線訪問， 取指和取數(shù)必會(huì)產(chǎn)生沖突， 而這對大運(yùn)算量的循環(huán)的執(zhí)行效率是很不利的。

　　哈佛結(jié)構(gòu)能基本上解決取指和取數(shù)的沖突問題，然而，對于一些需要高速運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理的場合為了進(jìn)一步提升運(yùn)行速度和靈活性，人們在基本哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上做了一些改進(jìn)提出了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)如下。

　　（1）允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算數(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性。

　　（2）指令存儲(chǔ)在高速緩沖器中，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)不需要再從存儲(chǔ)器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期，大大提高了運(yùn)行速度。