哈弗架构及其应用

1、 哈弗架构及其应用哈弗架构及其应用1介绍2工作原理与冯诺依曼架构的对比3应用4总结1、哈弗架构哈佛结构是一种存储器结构。使用哈佛结构的处理器有：AVR、ARM9、 ARM10、ARM11等。它是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。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。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，提高了数据的吞

2、吐率。又由于程序和数据存储在两个分开的物理空间中，因此取址和执行能完全重叠。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据储存分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。哈弗架构处理器的两个明显特点（相对冯诺依曼架构而言）1、使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存。2、使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。哈弗架构2、改进型的哈弗架构其结构特点为：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个

3、存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。改进之处在于在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中(Cache)，省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。哈弗结构改进型

4、哈弗结构3、对比（1）、架构对比冯诺依曼结构哈弗结构冯诺依曼结构的主要贡献是提出并实现了“储存程序”的概念；哈弗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。（2）工作原理的对比在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤分别是取指令、指令译码和执行指令。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。如图所示冯.诺曼结构处理器指令流的定时关系示意图同样的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

5、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。哈弗架构处理器下哈佛结构处理器指令流的定时关系示意图对比总结：冯.诺依曼指出：程序只是一种（特殊）的数据，它可以像数据一样被处理，因此可以和数据一起被存储在同一个存储器中这就是著名的冯.诺依曼原理。 哈佛结构是一种并行体系结构，与两个存储器相对应的是系统的4条总线。这种分离的程序总线和数据总线允许在一个机器周期 内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠。CPU首先到程序指令存储器中读取程序指

6、令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一 步的操作（通常是执行）。 哈佛结构采用数据存储器与程序代码存储器分开，各自有自己的数据总线与地址总线。但这是需要CPU提供大量的数据线，因而很少使用哈佛结构作为CPU外部 构架来使用。但是对于 CPU内部，通过使用不同的数据和指令cache，可以有效的提高指令执行的效率，因而目前大部分计算机体系都是CPU内部的哈弗结构+CPU外部的冯 诺伊曼的结构4、哈弗架构的应用哈佛结构和冯诺依曼结构各有好处，相对于冯诺依曼结构，哈佛结构更可靠，更加适合于那些程序固化、任务相对简单的控制系统，哈佛结构的微处理器也相对更高效。不过在通用计

7、算机系统中，应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内容，并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配，这种情况下，冯诺依曼结构占有绝对优势，因为统一编址可以最大限度地利用资源，而哈佛结构的计算机若应用于这种情形下则会对存储器资源产生理论上最大可达50%的浪费，这显然是不合理的。现在的哈佛结构被用于集装箱码头物流系统的设计、单周期堆栈处理器的设计、嵌入式Wolf Linux、Rootkit技术等技术领域。单周期堆栈处理器结构图：应用总结：总得来说，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。总结 冯氏结构简单、易实现、成本低，但效率偏低；哈佛结构效率高但复杂，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。现在的处理