嵌入式系统设计课程知识扩展1

CPU体系结构的种类、特点及应用场景
一.冯·诺依曼结构（也称普林斯顿结构）
冯·诺依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。

特点:
(1).必须有一个存储器;
(2).必须有一个控制器;
(3).必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算;
(4).必须有输入设备和输出设备，用于进行人机通信;
(5).程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作；
冯·诺依曼计算机体系结构缺陷：
(1)系统对存储器的过分依赖，系统的发展也将受限于储存器件的发展;
(2)指令的执行是串行，影响系统执行的速度;
(3)高级语言表示的存储器是一组有名字的变量，按名字调用变量，不按地址访问。机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔， 称之为冯·诺依曼语 义间隔。消除语义间隔成了计算机发展面临的一大难题;
(4)非数值处理应用领域发展缓慢，需要在体系结构方面有重大的突破;
(5)指令和数据有错误时，机器不会主动修改指令并完善程序;
根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能:
把需要的程序和数据送至计算机中;
必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力;
能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力;
能够按照要求将处理结果输出给用户;
应用场景
广泛用于台式、笔记本、服务器、工作站等桌面端。
二、哈佛结构
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。

特点：
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。
应用场景：
多用于移动领域，例如我们常用的手持设备平板、手机等。
三、两者区别
冯·诺依曼理论的要点是:数字计算机的数制采用二进制;计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能:把需要的程序和数据送至计算机中;必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力;能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力;能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作;能够按照要求将处理结果输出给用户。哈佛结构是为了高速数据处理而采用的，因为可以同时读取指令和数据(分开存储的)。大大提高了数据吞吐率，缺点是结构复杂。通用微机指令和数据是混合存储的，结构上简单，成本低。假设是哈佛结构:你就得在电脑安装两块硬盘，一块装程序，一块装数据，内存装两根，一根储存指令，一根存储数据……是什么结构要看总线结构的。51单片机虽然数据指令存储区是分开的，但总线是分时复用的，所以顶多算改进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构，但是之前的版本也还是冯·诺依曼结构。早期的X86能迅速占有市场，一条很重要的原因，正是靠了冯·诺依曼这种实现简单，成本低的总线结构。处理器虽然外部总线上看是诺依曼结构的，但是由于内部CACHE的存在，因此实际上内部来看已经算是改进型哈佛结构的了。至于优缺点，哈佛结构就是复杂，对外围设备的连接与处理要求高，十分不适合外围存储器的扩展。所以早期通用CPU难以采用这种结构。而单片机，由于内部集成了所需的存储器，所以采用哈佛结构也未尝不可。处理器，依托CACHE的存在，已经很好的将二者统一起来了。
CPU大致工作如下：取指令、指令译码和执行指令
指令1至指令3均为存、取数指令，对冯诺伊曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。如下图所示：

哈佛架构的CPU：

采用哈佛结构，由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线，使得各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，提高了运算速度。 哈佛结构强调了总的系统速度以及通讯和处理器配置方面的灵活性。