RISC和CISC统一编址和独立编址冯诺依曼结构和哈佛结构

Posted 2022-12-02 Lewin～

CISC：复杂指令集CPU
CISC体系的设计理念是用最少的指令来完成任务（譬如计算乘加只需要一条指令即可），一条指令就代表一段复杂的电路，要支持多条指令功能就需要多段功能电路，因此CISC的CPU本身设计复杂，由于电路过于庞大，CPU只有那么一点大，因此CPU的制作工艺很复杂，但好处是编译器好设计，例如：

 c语言中的一条d=a*b+c;
 编译生成汇编代码只有一条，直接乘加

CISC出现较早，至今Intel还一直采用CISC设计。

RISC：精简指令集CPU
RISC的设计理念是让软件来完成具体的任务，CPU本身仅提供基本功能（加法，乘法）指令集。因此RISC CPU的指令集中只有很少的指令，这种设计相对于CISC，CPU的设计和工艺简单了，但是编译器的设计变难了，例如：

 c语言中的一条d=a*b+c;
 编译生成汇编代码有多条，要先进行乘然后再加

ARM的CPU均采用RISC设计。

统一编址：CPU访问各种外设的方式类似于访问内存的方式，即CPU的地址线除了与内存相连以外，还与外设相连，把外设的寄存器当作一个内存地址来读写，从而以访问内存的相同方式来操作外设，叫IO与内存统一编址方式，这种编址方式常见于RISC设计的CPU，好处是IO当作内存来访问，编程简单，无需关心这个变量是属于内存的还是外设中的寄存器的；

独立编址：使用专用的CPU指令来访问某种特定外设，叫IO与内存独立编址，这种编址方式常见于CISC设计的CPU，例如我需要读写串口，对应于CISC设计，就需要对两条指令定义，倘若我有n个外设，每个外设各需编写两条指令，那么总共需要定义2n条指令，好处是不占用CPU地址空间，缺点是CPU设计变复杂了。

程序和数据都放在内存中，且不彼此分离的结构称为冯诺依曼结构。譬如（电脑）x86架构的CPU均采用冯诺依曼结构。
程序和数据分开独立放在不同的内存块中，彼此完全分离的结构称为哈佛结构。譬如大部分的单片机（MCS51）、嵌入式（ARM9）等ARM架构的CPU均采用哈佛结构。

为什么电脑采用冯诺依曼结构，单片机嵌入式则采用哈佛结构？？？
冯诺依曼结构中程序和数据不区分的交织放在一起，存放在内存中，意味着程序和数据具有同等地位，支持读和写，这样在程序执行过程中，程序段可能被修改，导致程序崩溃，因此安全和稳定性存在问题，这也是大多数病毒攻击的原理，病毒通过篡改程序，使程序崩溃；冯诺依曼结构的好处是处理起来简单，因为不区分程序和数据。虽然冯诺依曼结构存在安全问题，但这并不影响我们对电脑的使用，因为即使电脑中某个程序由于被修改而导致死机了，但其他程序并没有被修改，我们依然可以通过重启解决。
但这对于单片机嵌入式而言就不适用了，假如这是个控制原子反应堆的单片机，很容易造成爆炸的事故，因此单片机嵌入式多采用哈佛结构。

哈佛结构中单片机的程序和数据独立分开存放，程序存放在ROM（Flash）中，数据存放在RAM（内存），由于Flash是只读的，程序运行时只需转到内存中运行，因此保证了安全和稳定性，但嵌入式系统中的程序和数据“可能”是没有分开的，例如S5PV210这块开发板，程序和数据均存放在RAM（内存）中，在内存中给他们划分各自的区域，由操作系统来管理做出限制，程序段只能读，数据段支持读写，缺点是软件处理复杂一些（需要统一规划链接地址等）