Cortex M3哈佛结构的思考

Cortex M3哈佛结构的思考

.map的疑问

使用keil编写cortexM3代码时，工程进行如下的设置

keil工程设置

则会在List目录下生产.map文件。该文件反应了程序的数据、代码段在芯片ram、flash中的地址分布。

.map文件片段

根据以前对arm7/9的理解，程序在执行的过程中，会将数据段和代码段拷贝到内存中，拷贝完成后，指针跳转到相应的代码段开始执行。但是，在刚刚截取的.map文件中，从0x2000_0000开始的ram地址中，只分配了各文件所使用到的变量（即数据段），代码段则分布在0x0800_0000开始的rom（M3中称为flash）中。这样，就产生了一个疑问：可以直接从rom中取指并执行吗？

 

哈佛结构与冯·诺伊曼结构

CPU的构架中，有两种基本的体系结构：哈佛结构和冯·诺伊曼结构。

简而言之，哈佛结构与冯·诺伊曼结构最本质的区别是：哈佛结构使用程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，而冯·诺伊曼结构则使用的是程序指令存储和数据存储相同的存储结构。

常见的哈佛结构CPU：Microchip公司的PIC系列芯片，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。

常见的冯·诺伊曼结构CPU：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。

哈佛结构与冯·诺伊曼结构

在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。从指令流的定时关系也可看出冯.诺伊曼结构与哈佛结构处理方式的差别。举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令，如下图所示，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。

图 冯.诺曼结构处理器指令流的定时关系示意图    

如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令，如下图所示，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。

 

图 哈佛结构处理器指令流的定时关系示意图

哈佛机构的高性能体现在在单片机、DSP芯片平台上运行的程序种类和花样较少，因为各个电子娱乐产品中的软件升级比较少，应用程序可以用汇编作为内核，最高效率的利用流水线技术，获得最高的效率。

冯诺依曼结构主要是基于电脑购买者对电脑的使用途径不同----各种娱乐型用户、各种专业开发用户等，且安装的软件的种类繁多，升级频繁，多种软件同时运行时处理的优先级比较模糊，因特尔芯片不具备彻底智能分配各程序优先级和流水线的机制，机械的分配优先和流水线反而容易使用户不便。

比如，你使用电脑过程中对暴风影音播放器的使用中，有时希望它最快打开，有时希望它的打开实在打开浏览器之后，因此人对个人电脑的软件使用习惯是很不同的。从而，致力于提高主频和缓存的冯诺依曼结构才是PC的最佳选择。

体系结构与采用的独立与否的总线无关，与指令空间和数据空间的分开独立与否有关。51单片机虽然数据指令存储区是分开的，但总线是分时复用得，所以属于改进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构，但是之前的版本(例如ARM7)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。现在的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 类似 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。现在的处理器，依托CACHE的存在，已经很好的将二者统一起来了。（以上，来自网络）

CortexM3结构

 

CortexM3 CPU构架

从图中可以看出，M3的内核构架为冯·诺伊曼结构。这样，.map的疑问相对容易解释了。程序在执行的过程中，一边从rom中取指，一边操作ram中的数据。而不是之前理解的，需要将数据拷贝到ram中再执行。

引发的其他思考

程序在运行的过程中，如何通过“跳转”，找到相应的变量/函数？

联系最开始的map文件，记录了各个变量与地址的关系。比如编译器给RxFSN这个变量分配了地址0x2e00_0000。那么程序需要访问该变量时，则访问0x2e00_0000地址（这个可以过程理解为机器语言的执行。通过各各种调试手段，我们可以使用汇编语句看到程序的执行，因为汇编语言更加接近机器语言。通常会使用一个变量名来代替这个地址，以方便阅读，而这些符号－－变量名则是编译器维护的）。