【E問E答】51單片機是馮諾依曼還是哈佛結(jié)構(gòu)

　　關(guān)于這個問題，有人說51地址線復(fù)用，就是馮諾依曼結(jié)構(gòu)。

　　很多入門的書上基本上都說：由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備組成的系統(tǒng) 都叫馮氏結(jié)構(gòu)。

　　也有的說：“程序存儲器的數(shù)據(jù)線地址線”與“數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)線地址線”共用的話，就 是馮氏結(jié)構(gòu)，所以51是該結(jié)構(gòu)。(我認為說得太絕對了)

　　我認為馮氏結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)的區(qū)別應(yīng)該在存儲器的空間分別上，哈佛結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)區(qū)和代碼區(qū)是分開的，它們即使地址相同，但空間也是不同的，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)不能夠當作代碼來運行。(比如51---注)

　　口線復(fù)用，就將它認為成馮氏結(jié)構(gòu)，我認為這樣不足取，應(yīng)該是按照空間是否完全重合來辨 別。比如PC機的代空間和數(shù)據(jù)空間是同一空間，所以是馮氏結(jié)構(gòu);51由于IO口不夠，但代 碼空間和數(shù)據(jù)空間是分開的，所以還是哈佛構(gòu).(此種觀點才是正確的--注)

　　另外，還有的把CISC RISC 和地址是否復(fù)用與是哪種結(jié)構(gòu) 這3這都混到一起。我認為這三者都沒有必然的關(guān)系。只不過 RISC因為精簡了指令集，沒有了執(zhí)行復(fù)雜功能的指令，為了提高性能，常采用哈佛結(jié)構(gòu)，并且不復(fù)用地址線。(這種說法不具體,有待補充---注)

　　材料二:

　　哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲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 器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的 PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。

　　目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處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，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公 司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11，51單片機也屬于哈佛結(jié)構(gòu)

　　馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。

　　目前使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086，英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。

　　評論：哈佛結(jié)構(gòu)和馮.諾依曼結(jié)構(gòu)都是一種存儲器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是將指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的一種存儲器結(jié)構(gòu);而馮.諾依曼結(jié)構(gòu)將指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。-----注

　　材料三:

　　MCS-51單片機有著嵌入式處理器經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)在當前嵌入式處理器的高端ARM系列上仍然在延續(xù)，這就是哈佛結(jié)構(gòu)。相對于大名鼎鼎的 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)的知名度顯然遜色許多，但在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，哈佛結(jié)構(gòu)卻擁有著絕對的優(yōu)勢。哈佛結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別在于馮·諾依曼結(jié) 構(gòu)的計算機采用代碼與數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編址，而哈佛結(jié)構(gòu)是獨立編址的，代碼空間與數(shù)據(jù)空間完全分開。

　　在 通用計算機系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件的多樣性使得計算機要不斷地變化所執(zhí)行的代碼的內(nèi)容，并且頻繁地對數(shù)據(jù)與代碼占有的存儲器進行重新分配，這種情況下，馮·諾依 曼結(jié)構(gòu)占有絕對優(yōu)勢，因為統(tǒng)一編址可以最大限度地利用資源，而哈佛結(jié)構(gòu)的計算機若應(yīng)用于這種情形下則會對存儲器資源產(chǎn)生理論上最大可達50%的浪費，這顯 然是不合理的。

　　但 是在嵌入式應(yīng)用中，系統(tǒng)要執(zhí)行的任務(wù)相對單一，程序一般是固化在硬件里。當然這時使用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也完全可以，代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)在編譯時一次性分配好了而 已，但是其靈活性得不到體現(xiàn)，所以現(xiàn)在大量的單片機也還在沿用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，如TI的MSP430系列、Freescale的HCS08系列等。

　　那 是為什么說哈佛結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢呢?嵌入式計算機在工作時與通用計算機有著一些區(qū)別：嵌入式計算機在工作期間的絕大部分時間是無人值守的，而通用計算機工作期間 一般是有人操作的;嵌入式計算機的故障可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，而通用計算機一般就是死死機，重新啟動即可。這兩點決定了對嵌入式計算機的一個基本要求： 可靠性。

　　使 用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機，程序空間不封閉，期程序空間的數(shù)據(jù)在運行期理論上可以被修改，此外程序一旦跑飛也有可能運行到數(shù)據(jù)區(qū)。雖然都是一些不常見的特 殊情況下，但是看看哈佛結(jié)構(gòu)德計算機在這些情況下是怎樣的：基于哈佛結(jié)構(gòu)的處理器入MCS-51，不需要可以對代碼段進行寫操作的指令，所以不會有代碼區(qū) 被改寫的問題;程序只能在封閉的代碼區(qū)中運行，不可能跑到數(shù)據(jù)區(qū)，這也是跑飛的幾率減少并且跑飛后的行為有規(guī)律(數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)是不斷變化的而代碼區(qū)是不變 的)。

　　所以，相對于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)更加適合于那些程序固化、任務(wù)相對簡單的控制系統(tǒng)。

　　總結(jié)::::::::::

　　馮.諾依曼(Von Neumann)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)一起被存儲在同一個存儲器中——這就是著名的馮.諾依曼原理。注意:數(shù)據(jù)總線和地址總線共用。--注

　　哈佛結(jié)構(gòu):

　　哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，它的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨 立訪問。與兩個存儲器相對應(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，數(shù)據(jù)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)總線允許在一個機器周期 內(nèi)同時獲得指令字(來自程序存儲器)和操作數(shù)(來自數(shù)據(jù)存儲器)，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)存儲器在兩個分開的物 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)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一 步的操作(通常是執(zhí)行)。

　　哈佛結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)存儲器與程序代碼存儲器分開，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)架來使用。但是對于 CPU內(nèi)部，通過使用不同的數(shù)據(jù)和指令cache，可以有效的提高指令執(zhí)行的效率，因而目前大部分計算機體系都是CPU內(nèi)部的哈佛結(jié)構(gòu)+CPU外部的馮· 諾伊曼的結(jié)構(gòu)

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　　呵呵，當我們還在研究啥佛與馮諾依曼的區(qū)別的時候

　　你卻發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界已經(jīng)模糊了他們的概念，半導(dǎo)體廠商已經(jīng)將他們?nèi)嘣诹艘黄穑?nbsp;差不多就行了...