51單片機是馮諾依曼還是哈佛結構

關於這個問題,有人說51地址線複用,就是馮諾依曼結構。

       很多入門的書上基本上都說:由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備組成的系統 都叫馮氏結構。

也有的說:“程序存儲器的數據線地址線”與“數據存儲器的數據線地址線”共用的話,就 是馮氏結構,所以51是該結構。(我認爲說得太絕對了)

       我認爲馮氏結構與哈佛結構的區別應該在存儲器的空間分別上,哈佛結構的數據區和代碼區是分開的,它們即使地址相同,但空間也是不同的,主要表現在數據不能夠當作代碼來運行。(比如51---注)

       口線複用,就將它認爲成馮氏結構,我認爲這樣不足取,應該是按照空間是否完全重合來辨 別。比如PC機的代碼空間和數據空間是同一空間,所以是馮氏結構;51由於IO口不夠,但代碼空間和數據空間是分開的,所以還是哈佛構.(此種觀點纔是正確的--注)

       另外,還有的把CISC RISC 和地址是否複用與是哪種結構 這3這都混到一起。我認爲這三者都沒有必然的關係。只不過 RISC因爲精簡了指令集,沒有了執行復雜功能的指令,爲了提高性能,常採用哈佛結構,並且不復用地址線。(這種說法不具體,有待補充---注)

材料二:

   哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內容,解碼後得到數據地址,再到相應的數據存儲器中讀取數據,並進行下一步的操作(通常是執行)。程序指令存儲和數據存儲分開,可以使指令和數據有不同的數據寬度,如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度,而數據是8位寬度。

   目前使用哈佛結構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單片機也屬於哈佛結構

   馮·諾伊曼結構也稱普林斯頓結構,是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合併在一起的存儲器結構。程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置,因此程序指令和數據的寬度相同,如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數據都是16位寬。

   目前使用馮·諾伊曼結構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處理器也採用了馮·諾伊曼結構。

評論:哈佛結構和馮.諾依曼結構都是一種存儲器結構。哈佛結構是將指令存儲器和數據存儲器分開的一種存儲器結構;而馮.諾依曼結構將指令存儲器和數據存儲器合在一起的存儲器結構。-----注

材料三:

      MCS-51單片機有着嵌入式處理器經典的體系結構,這種體系結構在當前嵌入式處理器的高端ARM系列上仍然在延續,這就是哈佛結構。相對於大名鼎鼎的馮·諾依曼結構,哈佛結構的知名度顯然遜色許多,但在嵌入式應用領域,哈佛結構卻擁有着絕對的優勢。哈佛結構與馮·諾依曼結構的最大區別在於馮·諾依曼結構的計算機採用代碼與數據的統一編址,而哈佛結構是獨立編址的,代碼空間與數據空間完全分開。

在通用計算機系統中,應用軟件的多樣性使得計算機要不斷地變化所執行的代碼的內容,並且頻繁地對數據與代碼佔有的存儲器進行重新分配,這種情況下,馮·諾依曼結構佔有絕對優勢,因爲統一編址可以最大限度地利用資源,而哈佛結構的計算機若應用於這種情形下則會對存儲器資源產生理論上最大可達50%的浪費,這顯然是不合理的。

但是在嵌入式應用中,系統要執行的任務相對單一,程序一般是固化在硬件裏。當然這時使用馮·諾依曼結構也完全可以,代碼區和數據區在編譯時一次性分配好了而已,但是其靈活性得不到體現,所以現在大量的單片機也還在沿用馮·諾依曼結構,如TI的MSP430系列、Freescale的HCS08系列等。

那是爲什麼說哈佛結構有優勢呢?嵌入式計算機在工作時與通用計算機有着一些區別: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致災難性的後果,而通用計算機一般就是死死機,重新啓動即可。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·諾依曼結構的計算機,程序空間不封閉,期程序空間的數據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據區。雖然都是一些不常見的特殊情況下,但是看看哈佛結構德計算機在這些情況下是怎樣的:基於哈佛結構的處理器入MCS-51,不需要可以對代碼段進行寫操作的指令,所以不會有代碼區被改寫的問題;程序只能在封閉的代碼區中運行,不可能跑到數據區,這也是跑飛的機率減少並且跑飛後的行爲有規律(數據區的數據是不斷變化的而代碼區是不變的)。

所以,相對於馮·諾依曼結構,哈佛結構更加適合於那些程序固化、任務相對簡單的控制系統。

總結::::::::::

      馮.諾依曼(Von Neumann)指出:程序只是一種(特殊)的數據,它可以像數據一樣被處理,因此可以和數據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:數據總線和地址總線共用。--注

哈佛結構:

       哈佛結構是一種並行體系結構,它的主要特點是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中,即程序存儲器和數據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的是系統的4條總線:程序的數據總線與地址總線,數據的數據總線與地址總線。這種分離的程序總線和數據總線允許在一個機器週期內同時獲得指令字(來自程序存儲器)和操作數(來自數據存儲器),從而提高了執行速度,使數據的吞吐率提高了1倍。又由於程序和數據存儲器在兩個分開的物理空間中,因此取指和執行能完全重疊。CPU首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內容,解碼後得到數據地址,再到相應的數據存儲器中讀取數據,並進行下一步的操作(通常是執行)。

結構如圖2 (----注) [img] 馮諾依曼和哈佛結構 - modayu838 - modayu838的博客[/img]

                   圖2 Harvard architecture

       哈佛結構採用數據存儲器與程序代碼存儲器分開,各自有自己的數據總線與地址總線。但這是需要CPU提供大量的數據線,因而很少使用哈佛結構作爲CPU外部構架來使用。但是對於 CPU內部,通過使用不同的數據和指令cache,可以有效的提高指令執行的效率,因而目前大部分計算機體系都是CPU內部的哈弗結構+CPU外部的馮·諾伊曼的結構。

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章