哈弗架構(gòu)及其應(yīng)用

1、 哈弗架構(gòu)及其應(yīng)用哈弗架構(gòu)及其應(yīng)用1介紹2工作原理與馮諾依曼架構(gòu)的對(duì)比3應(yīng)用4總結(jié)1、哈弗架構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。使用哈佛結(jié)構(gòu)的處理器有：AVR、ARM9、 ARM10、ARM11等。它是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，它的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)的4條總線：程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)獲得指令字（來(lái)自程序存儲(chǔ)器）和操作數(shù)（來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），從而提高了執(zhí)行速度，提高了數(shù)據(jù)的吞

2、吐率。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在兩個(gè)分開(kāi)的物理空間中，因此取址和執(zhí)行能完全重疊。中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分開(kāi)，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。哈弗架構(gòu)處理器的兩個(gè)明顯特點(diǎn)（相對(duì)馮諾依曼架構(gòu)而言）1、使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存。2、使用獨(dú)立的兩條總線，分別作為CPU與每個(gè)存儲(chǔ)器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間毫無(wú)關(guān)聯(lián)。哈弗架構(gòu)2、改進(jìn)型的哈弗架構(gòu)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)

3、存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實(shí)現(xiàn)并行處理；具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問(wèn)兩個(gè)存儲(chǔ)模塊（程序存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來(lái)完成程序存儲(chǔ)模塊或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸；兩條總線由程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分時(shí)共用。改進(jìn)之處在于在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間進(jìn)行局部的交叉連接。這一改進(jìn)允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性。只要調(diào)度好兩個(gè)獨(dú)立的總線就可使處理能力達(dá)到最高，以實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行。改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)還可使指令存儲(chǔ)在高速緩存器中(Cache)，省去了從存儲(chǔ)器中讀取指令的時(shí)間，大大提高了運(yùn)行速度。哈弗結(jié)構(gòu)改進(jìn)型

4、哈弗結(jié)構(gòu)3、對(duì)比（1）、架構(gòu)對(duì)比馮諾依曼結(jié)構(gòu)哈弗結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)的主要貢獻(xiàn)是提出并實(shí)現(xiàn)了“儲(chǔ)存程序”的概念；哈弗結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。（2）工作原理的對(duì)比在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟分別是取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。對(duì)馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無(wú)法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)。如圖所示馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖同樣的3條存取數(shù)指令，如下圖所示，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲(chǔ)空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)算

5、速度。 哈佛結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了總的系統(tǒng)速度以及通訊和處理器配置方面的靈活性。哈弗架構(gòu)處理器下哈佛結(jié)構(gòu)處理器指令流的定時(shí)關(guān)系示意圖對(duì)比總結(jié)：馮.諾依曼指出：程序只是一種（特殊）的數(shù)據(jù)，它可以像數(shù)據(jù)一樣被處理，因此可以和數(shù)據(jù)一起被存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中這就是著名的馮.諾依曼原理。 哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)的4條總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線允許在一個(gè)機(jī)器周期 內(nèi)同時(shí)獲得指令字（來(lái)自程序存儲(chǔ)器）和操作數(shù)（來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），從而提高了執(zhí)行速度，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了1倍。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的物理空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。CPU首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指

6、令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一 步的操作（通常是執(zhí)行）。 哈佛結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序代碼存儲(chǔ)器分開(kāi)，各自有自己的數(shù)據(jù)總線與地址總線。但這是需要CPU提供大量的數(shù)據(jù)線，因而很少使用哈佛結(jié)構(gòu)作為CPU外部 構(gòu)架來(lái)使用。但是對(duì)于 CPU內(nèi)部，通過(guò)使用不同的數(shù)據(jù)和指令cache，可以有效的提高指令執(zhí)行的效率，因而目前大部分計(jì)算機(jī)體系都是CPU內(nèi)部的哈弗結(jié)構(gòu)+CPU外部的馮 諾伊曼的結(jié)構(gòu)4、哈弗架構(gòu)的應(yīng)用哈佛結(jié)構(gòu)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)各有好處，相對(duì)于馮諾依曼結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)更可靠，更加適合于那些程序固化、任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器也相對(duì)更高效。不過(guò)在通用計(jì)

7、算機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件的多樣性使得計(jì)算機(jī)要不斷地變化所執(zhí)行的代碼的內(nèi)容，并且頻繁地對(duì)數(shù)據(jù)與代碼占有的存儲(chǔ)器進(jìn)行重新分配，這種情況下，馮諾依曼結(jié)構(gòu)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榻y(tǒng)一編址可以最大限度地利用資源，而哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)若應(yīng)用于這種情形下則會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器資源產(chǎn)生理論上最大可達(dá)50%的浪費(fèi)，這顯然是不合理的?，F(xiàn)在的哈佛結(jié)構(gòu)被用于集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、單周期堆棧處理器的設(shè)計(jì)、嵌入式Wolf Linux、Rootkit技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域。單周期堆棧處理器結(jié)構(gòu)圖：應(yīng)用總結(jié)：總得來(lái)說(shuō)，哈佛機(jī)構(gòu)的高性能體現(xiàn)在在單片機(jī)、DSP芯片平臺(tái)上運(yùn)行的程序種類和花樣較少，因?yàn)楦鱾€(gè)電子娛樂(lè)產(chǎn)品中的軟件升級(jí)比較少，應(yīng)用程序可以用匯編作為內(nèi)核，最高效率的利用流水線技術(shù)，獲得最高的效率。 馮諾依曼結(jié)構(gòu)主要是基于電腦購(gòu)買者對(duì)電腦的使用途徑不同-各種娛樂(lè)型用戶、各種專業(yè)開(kāi)發(fā)用戶等，且安裝的軟件的種類繁多，升級(jí)頻繁，多種軟件同時(shí)運(yùn) 行時(shí)處理的優(yōu)先級(jí)比較模糊，因特爾芯片不具備徹底智能分配各程序優(yōu)先級(jí)和流水線的機(jī)制，機(jī)械的分配優(yōu)先和流水線反而容易使用戶不便。總結(jié) 馮氏結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，但效率偏低；哈佛結(jié)構(gòu)效率高但復(fù)雜，對(duì)外圍設(shè)備的連接與處理要求高，十分不適合外圍存儲(chǔ)器的擴(kuò)展?，F(xiàn)在的處理