原创哈佛结构与冯·诺伊曼1

 2009-3-12 14:33  2677 5 5 分类: MCU/ 嵌入式

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。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存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令（有点疑问，ARM7属于冯诺依曼结构，但是它可以三级流水线，也可以欲取，这是怎么回事？不解）。

现在基于C51的单片机也是采用程序存储器和数据存储器分开，那为什么还是属于冯诺依曼结构的呢？不解，请高手解答，谢谢

目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的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。

冯·诺伊曼结构，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，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。

目前使用冯·诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特尔公司的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处理器也采用了冯·诺伊曼结构。

这里所说的CPU，是指目前广泛使用的电脑即IBM PC及其兼容机中所使用的CPU，也就是大家平常所说的X86系列CPU。

　　CPU是“Central Processor Unit”的缩写，它是电脑中的最关键部件，电脑的升级实际上主要就是CPU芯片的升级。

　　以下我们从业余角度介绍CPU的一般技术结构和接口，主要技术参数及其意义，另外再从应用角度介绍一下当前主流的CPU及其主要技术特性

　　一、X86 CPU的简历

　　1.X86 CPU系列的产生

　　1978年，美国Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算指令。

　　由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也称之为X86指令集。虽然以后Intel又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的X86指令

　　而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。

　　其他公司，例如AMD和Cyrix等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的命名方式为自己的X86系列CPU命名。
但到了586时代，同样由于商标注册问题，无法继续使用与Intel的X86系列相同或相似的命名，只好另外为自己的586、686兼容CPU命名了。

　　2.X86系列CPU的发展史

　　X86系列CPU的发展史实际上是以Intel公司的产品为代表的发展史。

　　从1978年Intel制造出第一片i8086以来的短短二十年，CPU已经发展到第六代的Pentium Ⅱ，并且64位的第七代芯片也即将推出。X86系列CPU的发展史是从1978年开始的：

　　·8086　1978年6月推出，为第一代CPU（16位），其运算速度<1MIPS(1个MIPS表示每秒钟运算1百万次)。

　　·8088　1979年6月推出，8086的简化型CPU，与8086的区别是：其数据总线宽度内部为16位、外部为8位。

　　·80286　1982年2月推出，为第二代CPU（16位），运算速度1～2MIPS。

　　·80386　1985年10月推出，为第三代CPU（32位），运算速度6～12MIPS。

　　·80486　1989年4月推出，为第四代CPU（32位），运算速度20～40MIPS，首次在486DXCPU内部集成了数学协处理器。

　　·Pentium　1993年3月推出的第五代CPU（32位），厂家代号：P54C，运算速度在100～200MIPS以上。Intel的第五代CPU推出后，为摆脱AMD等兼容CPU厂家的纠缠而进行了注册申请，但由于不能用阿拉伯数字申报注册。

　　所以Intel将i80586改成了Pentium（Pentium是拉丁文，表示“五”的意思），另外还为Pentium起了中文名字“奔腾”，但我国多数人还是习惯称之为“586”。

　　·Pentium Pro　1995年11月推出，为第六代CPU（32位），中文名称“高能奔腾”。Intel公司第一次采用了双芯片CPU生产技术，在CPU内部集成了256～512KB的L2 Cache，因此L2 Cache能与CPU内部时钟同步运行。Pentium Pro主要应用在服务器方面。

　　·Pentium MMX　1997年1月推出，仍然是第五代CPU（32位），厂家代号：P55C，中文名称“多能奔腾”。是在原Pentium芯片中增加了处理多媒体数据的MMX指令集改进而成。

　　·Pentium Ⅱ　1997年5月推出，仍然属于第六代CPU（32位），中文文称“奔腾二代”。将Pentium Ⅱ CPU芯片、Tag RAM（L2 Cache的管理和控制芯片）和L2 Cache集成在一块电路板上，然后封装在单边接触盒（SEC）中并加上冷却风扇。所以它的外形与以往的CPU大不一样，是一个扁黑盒子

　　二、当前主用的CPU和技术特点

　　1.目前主用的CPU

　　目前我们使用的CPU主要有Pentium MMX（586）和Pentium Ⅱ（686）及其兼容CPU。

　　586级CPU主要有Intel公司的Pentium MMX、AMD公司的K6、Cyrix公司的6x86MMX和IDT公司少量的Pentium兼容级CPU产品；686级CPU主要有Intel公司的Pentium Ⅱ和Celeron，AMD公司的K6－2和Cyrix公司的MⅡ。

2.CPU的实际封装形式

　　目前的主流CPU有两种封装形式：一种是Socket 7，采用296根针脚的PGA封装；另一种是Slot 1结构的Pentium Ⅱ系列CPU，采用单边接触盒封装。

　　●Socket 7结构　电脑从486开始普遍采用Socket插座来安装CPU，从Socket 4、Socket 5一直延续到现在的Socket 7。

　　Socket 7是方形多针脚ZIF（零插拔力）插座，插座上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU芯片了。

　　Socket 7插座不但可以安装Intel公司的Pentium、Pentium MMX，还能安装AMD公司的K5、K6和K6－2，Cyrix公司的6x86、6x86MMX和6x86 MⅡ和IDT公司的Winchip C6也可以安装。适用范围非常广。

　　●Slot 1结构　Slot 1是一个242线的插槽，外形与AGP插槽有点相似，实际上，Slot 1是一种电路板插槽。使用Slot 1接口的CPU只有Intel的Pentium Ⅱ系列、Celeron和Celeron 300A/333。

　　3.CPU的主要技术特征

　　●主频　主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度，主频越高，表明CPU的运算速度越快，从i80486DX2开始，主频=外频×倍频系数。

　　●外频　外频是CPU的基准频率，也叫前端总线频率和系统总线频率，单位也是MHz。在Socket架构主板上，外频频率与系统内存和L2 Cache总线时钟频率相同。CPU的外频越高，证明CPU与L2 Cache和系统内存交换速度越快，对提高电脑系统的整体运行速度很有利。

　　●倍频系数　即CPU主频和外频之间的相对比例关系。例如当某CPU的倍频系数为3、外频为100MHz时，CPU的主频就是300MHz；当将外频改为112MHz时，则主频将为336MHz等等。现在Intel生产的CPU基本上全部采用了倍频系数不能改变的锁频技术，因此电脑发烧友对CPU超频只好从提高外频的方法进行了。不过AMD和Cyrix等公司的兼容CPU现在都没有锁频。

　　●L1 Cache容量　集成在CPU内部的高速缓存，容量通常在32～64KB。

　　●生产工艺技术　指在硅材料上生产CPU时内部各元器件间的联接线宽度，一般用微米（μm）表示，微米数值越小，生产工艺越先进，CPU内部功耗和发热量就越小。目前生产工艺已经达到0.25微米，正在向0.18微米技术努力。

　　●CPU内核和I/O工作电压　从586CPU开始，CPU的工作电压分内核电压和I/O电压两种，其中内核电压根据CPU生产工艺而定，一般微米数值越小，内核工作电压越低；I/O工作电压一般都在3V左右，具体数值根据各厂家具体的CPU型号规格确定。

　　●接口标准　指CPU安装在电脑主板上时使用的插座类型，主要有Socket 7和Slot 1。其中Socket 7可以使用Intel的586系列和所有其他厂家生产的与其兼容的CPU；Slot 1由于受专利保护，目前只能使用Intel自己的686系列CPU。

　　●CPU附加指令集　附加指令集通常是指为原X86系列CPU增加的多媒体或3D处理指令。目前有Intel的MMX、AMD的3D Now！和Intel下一步的KNL（MMX2）。附加指令可以提高CPU处理多媒体和3D图形等数据的能力。

　　●超频能力　超频就是在实际使用时让CPU工作在高于标称时钟频率上。一般情况下，CPU都能在正常工作电压下跳高一档主频运行，特别是Intel的Pentium Ⅱ系列CPU，在正常供电情况下大多能超频25％左右运行。

　　而AMD和Cyrix等兼容CPU最多只能高跳一档（约17％以内），且在多数情况下需要调节CPU工作电压和加大散热器才能让CPU稳定运行，所以AMD等公司的CPU超频性能与Intel产品相比要差很多。