原创 哈佛结构 与 冯.诺依曼结构（包括MIPS）

哈佛结构

    数字信号处理一般需要较大的运算量和较高的运算速度，为了提高数据吞吐量，在数字信号处理器中大多采用哈佛结构，如下图所示

图   哈佛结构

与冯.诺曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：

• 
  
• 
  

  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；

  
  
• 
  

  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。

     后来，又提出了改进的哈佛结构，如下图所示

图    改进型哈佛结构

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。

    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

========================================================================

冯.诺曼结构

    1945年，冯.诺曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯.诺曼型结构”计算机。冯.诺曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输，如下图所示：

图   冯.诺曼结构

    冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点：

• 
  
• 
  

  必须有一个存储器；

  
  
• 
  

  必须有一个控制器；

  
  
• 
  

  必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；

  
  
• 
  

  必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。

    冯.诺曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序”的概念。由于指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此，当初选择这种结构是自然的。但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。   

     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