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51单片机是冯诺依曼还是哈佛结构?

助工
2010-12-30 14:39:13    评分
关于这个问题,有人说51地址线复用,就是冯诺依曼结构。
       很多入门的书上基本上都说:由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成的系统 都叫冯氏结构。
也有的说:“程序存储器的数据线地址线”与“数据存储器的数据线地址线”共用的话,就 是冯氏结构,所以51是该结构。(我认为说得太绝对了)
       我认为冯氏结构与哈佛结构的区别应该在存储器的空间分别上,哈佛结构的数据区和代码区是分开的,它们即使地址相同,但空间也是不同的,主要表现在数据不能够当作代码来运行。(比如51---注)
       口线复用,就将它认为成冯氏结构,我认为这样不足取,应该是按照空间是否完全重合来辨 别。比如PC机的代空间和数据空间是同一空间,所以是冯氏结构;51由于IO口不够,但代 码空间和数据空间是分开的,所以还是哈佛构.(此种观点才是正确的--注)
       另外,还有的把CISC RISC 和地址是否复用与是哪种结构 这3这都混到一起。我认为这三者都没有必然的关系。只不过 RISC因为精简了指令集,没有了执行复杂功能的指令,为了提高性能,常采用哈佛结构,并且不复用地址线。(这种说法不具体,有待补充---注)
材料二:
   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。
   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ARM11,51单片机也属于哈佛结构
   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。
评论:哈佛结构和冯.诺依曼结构都是一种存储器结构。哈佛结构是将指令存储器和数据存储器分开的一种存储器结构;而冯.诺依曼结构将指令存储器和数据存储器合在一起的存储器结构。-----注
材料三:
      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。
总结::::::::::
      冯.诺依曼(Von Neumann)指出:程序只是一种(特殊)的数据,它可以像数据一样被处理,因此可以和数据一起被存储在同一个存储器中——这就是著名的冯.诺依曼原理。注意:数据总线和地址总线共用。--注
哈佛结构:
       哈佛结构是一种并行体系结构,它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线:程序的数据总线与地址总线,数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线允许在一个机器周期内同时获得指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数据存储器),从而提高了执行速度,使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中,因此取指和执行能完全重叠。CPU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)。
       哈佛结构采用数据存储器与程序代码存储器分开,各自有自己的数据总线与地址总线。但这是需要CPU提供大量的数据线,因而很少使用哈佛结构作为CPU外部构架来使用。但是对于 CPU内部,通过使用不同的数据和指令cache,可以有效的提高指令执行的效率,因而目前大部分计算机体系都是CPU内部的哈弗结构+CPU外部的冯·诺伊曼的结构



关键词: 单片机     冯诺依     还是     哈佛     结构     地址     存储器         

菜鸟
2010-12-30 20:15:04    评分
2楼

很好文章


高工
2011-02-17 10:26:53    评分
3楼
TI的MSP430采用的就是统一结构,程序跑飞,就会跑到数据区!

工程师
2011-03-09 10:23:01    评分
4楼
此贴必火!

菜鸟
2015-09-15 08:44:57    评分
5楼
诸多公司的SOC芯片,内置的8051核是专门修改过的增强板,采用了各种结构的优点,只为更快更强更高

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