嵌入式计算机体系结构：冯诺依曼架构和哈佛架构

Posted 2023-04-04 裘骐

计算机体系结构：冯诺依曼架构和哈佛架构

计算机体系结构有冯 · 诺依曼（普林斯顿）架构、哈佛架构两种

两者的区别：

指令和数据的保存方式不同

冯诺依曼架构：

指令和数据存放在一起，共用一个存储器，自然也共用一条总线

这种架构的运行效率相对较低，但结构简单，在工程上容易实现

哈佛架构：

指令和数据有各自的存储器，不同的存储器独立编址，有独立的数据总线，在同一时间可以同时访问

这种架构运行效率高，但实现起来也更加复杂

混合架构：

现在的芯片设计同时具备冯诺依曼架构和哈佛架构的优点，是很难定义具体属于哪一种架构的混合架构

（在了解这一点之前首先要知道CPU、Cache、和RAM的关系）

1. 芯片内部通常使用哈佛架构，既指令和数据有各自的存储器，不同的Cache（缓存），CPU通过不同的总线访问指令Cache和数据Cache

2. 而芯片外部使用冯诺依曼结构，既指令和数据在芯片外部共用一个存储器，都放在同一个RAM里

注意：

两种架构的区别在于指令和数据的保存方式不同，共用储存or独立储存

而不是通信总线的多少，在混合架构中，RAM和Cache之间也是双总线的，而RAM和外部存储设备，如Flash则是单总线通信。

系统架构设计师计算机组成与体系结构 ② ( 冯诺依曼结构 | 哈佛结构 | 常见的芯片 | CPU 微处理器 | DSP 数字信号处理器 | SoC 片上系统 | MCU 单片机 )

文章目录

• 一、冯诺依曼结构
• 二、哈佛结构
• 三、常见的芯片

一、冯诺依曼结构

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冯诺依曼结构 : 指令存储器 与 数据存储器 合并在一起 ;

• 应用场景 : PC 机 , 使用 i3 , i5 , i7 处理器 , 常见的台式电脑 和 笔记本 都是 冯诺依曼结构 ;

• 总线数 : 冯诺依曼结构 有 两条总线 , 指令 和 数据 都是通过 相同的 数据总线传输 ;

  • 传输数据 的总线 称为 数据总线 DB ;
  • 传输地址 的总线 称为 地址总线 AB ;

冯诺依曼结构 与 哈佛结构 的区别 就是 数据 和 指令 是 分开处理 还是 统一处理 ;

二、哈佛结构

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冯诺依曼结构 : 指令存储器 与 数据存储器 是分开的两个存储器 , 每个存储器 独立编址 , 独立访问 ;

• 应用场景 : 嵌入式系统处理器 , 数字信号处理 ;

• 吞吐率高 : 由于 程序 ( 指令 ) 和 数据 存储 在 不同的 存储空间 , 各自 使用 专用的总线 进行传输 , 可以 并行传输 ;

• 总线数 : 哈佛结构 有 4 条总线 ;

  • ① 指令 的 数据总线 和 ② 指令 的 地址总线 ;
  • ③ 数据 的 数据总线 和 ④ 数据 的 地址总线 ;

冯诺依曼结构 与 哈佛结构 的区别 就是 数据 和 指令 是 分开处理 还是 统一处理 ;

三、常见的芯片

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常见的芯片类型 :

• 微处理器 : CPU 就是 微型计算机 的 处理器 , 只是一个控制部件 , 不是独立的系统 ;
• 数字信号处理器 : DSP , Digital Signal Processing , 对 系统结构 和 指令 进行了 特殊设计 , 可以 实时 快速实现各种数字信号处理算法 , 如 音频 时域转频域 的 傅里叶变换 算法 ;
• 片上系统 : Soc , System on Chip , 将系统的关键部件 都 集成 到一块 芯片上 , 包含完整的系统 , 并集成了嵌入式软件 , 是一个 为了 专用目的 实现的 集成电路 , 如 数据库管理系统 ; 这是一个 微小型系统 , 注意 与 单片机 区分 ;
• 单片机 : MCU , Microcontroller Unit , 又称为 微控制单元 , 将 缩减后的 CPU , 内存 , I/O 设备 等都集成到一块芯片上 , 是一个 芯片级的计算机 , 体积小 , 其功耗和成本都很低 ;