冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构
冯·诺依曼、哈佛、改进型哈佛体系结构解析
冯·诺依曼、哈佛、改进型哈佛体系结构解析在如今的CPU中，由于Catch的存在，这些概念已经被模糊了。
个人认为去区分他们并没有什么意义，仅作为知识点。
哈佛结构设计复杂，但效率高。
冯诺依曼结构则比较简单，但也比较慢。
CPU厂商为了提高处理速度，在CPU内增加了高速缓存。
也基于同样的目的，区分了指令缓存和数据缓存。
在内存里，指令和数据是在一起的。
而在CPU内的缓存中，还是会区分指令缓存和数据缓存，最终执行的时候，指令和数据是从两个不同的地方出来的。
你可以理解为在CPU外部，采用的是冯诺依曼模型，而在CPU内部用的是哈佛结构。
就像ARM9内核的S3C2440就是如上述所说一样，硬要区分的话，更加贴近改进型哈佛结构。
参考文章：冯·诺依曼、哈佛、改进型哈佛体系结构解析1. 冯·诺依曼结构冯·诺依曼结构，又称为普林斯顿体系结构。
主要特点：将程序指令存储器和数据存储器合并在一起。
本质上就是把指令也看作数据。
优点：结构简单、易实现、成本低缺点：在高速运行时，不能达到同时取指令和取数据，从而形成了传输过程的瓶颈。
由于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。
2.哈佛结构主要特点：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（意味着有两个0地址：指令0和数据0）、独立访问，目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。
哈佛结构的中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据储存器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。
优点：1.程序指令储存和数据储存分开，数据和指令的储存可以同时进行，效率高。
2.一般情况下程序难以修改自身，安全性高。
3.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。
冯诺依曼与哈佛结构计算机的区别
冯诺依曼型计算机与哈佛结构计算机的区别说到计算机的发展，就不能不提到德国科学家冯诺依曼。
从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。
人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。
所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。
20世纪30年代中期，德国科学家冯诺依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。
同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。
（一）冯·诺依曼结构1945年，冯·诺依曼首先提出了“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。
传统计算机采用冯·诺依曼（Von Neuman n）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并在一起的存储器结构。
冯·诺依曼结构的计算机其程序和数据公用一个存储空间，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；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。
处理器执行指令时，先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。
如图 1-3 所示，冯·诺依曼结构的计算机由CPU 和存储器构成，程序计算器（PC）是CPU 内部指示指令和数据的存储位置的寄存器。
CPU 通过程序计数器提供的地址信息，对存储器进行寻址，找到所需要的指令或数据，然后对指令进行译码，最后执行指令规定的操作。
冯诺依曼结构与哈佛结构
1、冯·诺依曼结构冯·诺依曼结构又称作普林斯顿体系结构（Princetionarchitecture）。
1945年，冯·诺依曼首先提出了“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·诺依曼型结构”计算机。
冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输。
冯·诺依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·诺依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·诺依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，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯·诺依曼结构处理器，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。
arm7系列的CPU有很多款，其中部分CPU没有内部cache的，比如arm7TDMI，就是纯粹的冯·诺依曼结构，其他有内部cache且数据和指令的cache分离的cpu则使用了哈弗结构。
2、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，如图1所示。
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。
计算机体系结构冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构的对比
计算机体系结构冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构的对比计算机体系结构是指计算机硬件组织的方式，是计算机系统的基础架构。
在计算机体系结构的发展历程中，冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构是两种重要的体系结构。
本文将对这两种体系结构进行对比，并分析它们的优缺点。
一、冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构是计算机体系结构的经典范例。
它的核心思想是将程序和数据存储在同一存储器中，并通过控制单元、算术逻辑单元、输入输出设备与存储器之间的数据传输来执行程序。
冯诺依曼体系结构的主要特点如下：1. 存储器统一性：程序和数据共享同一存储器，以字节（byte）为基本单位进行存储和访问。
2. 指令流水线：指令的执行通过多级流水线实现，提高了计算机的处理能力。
3. 程序控制和数据控制的分离：通过控制单元和算术逻辑单元的协同工作，实现指令执行和数据处理的分离。
冯诺依曼体系结构的优点在于结构简单、实现容易，并且能够实现存储程序的概念。
然而，它也存在一些缺点。
由于程序和数据共享同一存储器，导致存储器带宽有限，从而限制了计算机的运行速度。
此外，冯诺依曼体系结构无法支持并行计算，限制了计算机的并行处理能力。
二、哈佛体系结构哈佛体系结构是一种近年来提出的计算机体系结构，它对冯诺依曼体系结构进行了改进和优化。
哈佛体系结构的核心思想是将程序和数据存储在分开的存储器中，并通过独立的指令存储器和数据存储器进行访问。
哈佛体系结构的主要特点如下：1. 指令和数据分开存储：指令存储器和数据存储器分开独立，可以同时进行指令读取和数据存取操作。
2. 高带宽和低延迟：通过分离指令和数据存储器，提高了内存访问的带宽和速度。
3. 支持并行计算：哈佛体系结构可以同时进行指令和数据的访问，支持多线程和并行处理。
哈佛体系结构相比冯诺依曼体系结构，在提高计算机运行速度和并行处理能力方面具有明显优势。
然而，由于需要独立的指令存储器和数据存储器，相较于冯诺依曼体系结构而言，实现上更为复杂。
冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构在数字集成电路中的应用。
冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构在数字集成电路
中的应用。
冯·诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture）和哈佛体系结构（Harvard Architecture）是两种常见的计算机体系结构，它们在数字集成电路中具有不同的应用。
1.冯·诺依曼体系结构：冯·诺依曼体系结构是一种基于存储
程序概念的计算机体系结构。
它将指令和数据存储在同一存储器中，并使用单一的总线来进行指令和数据的传输。
在数字集成电路中，冯·诺依曼体系结构广泛应用于通用计算机、微处理器等需要灵活运行不同类型任务的场景。
2.哈佛体系结构：哈佛体系结构是一种指令和数据存储在不
同存储器中的计算机体系结构。
它通过使用两个独立的总线来分别传输指令和数据。
在数字集成电路中，哈佛体系结构常用于嵌入式系统和信号处理应用中，特别是需要高效率并行处理的场景。
由于指令和数据存储在不同的存储器中，哈佛体系结构具有更高的存储器带宽和并行处理能力。
在数字集成电路的应用中，选择使用冯·诺依曼体系结构还是哈佛体系结构，取决于应用的特性和需求。
冯·诺依曼体系结构具有灵活性和通用性，适用于多种任务和应用场景。
哈佛体系结构在处理速度和效率上具有优势，适用于需要高带宽和并行处理的应用。
根据具体的应用需求和性能要求，选择适合的体系
结构可以提高系统的性能和效率。
冯诺依曼结构与哈佛结构的区别
冯诺依曼结构与哈佛结构的区别
冯诺依曼结构和哈佛结构是两种计算机体系结构的不同实现方式。
1. 存储数据方式：
- 冯诺依曼结构下，计算机的指令和数据都存储在同一个存储器中，即存储器中的内容可以同时作为指令和数据进行读写。
- 哈佛结构下，计算机的指令和数据分别存储在两个不同的存储器中，即指令存储器和数据存储器有独立的物理空间。
2. 数据访问方式：
- 冯诺依曼结构下，指令和数据共享同一个总线进行访问，也就是说指令和数据使用相同的通路进行传输。
- 哈佛结构下，指令和数据分别使用独立的总线进行访问，也就是说指令和数据使用不同的通路进行传输。
3. 内存访问方式：
- 冯诺依曼结构下，CPU只能同时进行读取指令和读取/写入数据之一的操作，即采用不同的时钟周期间隔来处理指令和数据的读写操作。
- 哈佛结构下，CPU可以同时进行读取指令和读取/写入数据的操作，即可以在同一个时钟周期内同时读写指令和数据。
4. 缓存结构：
- 冯诺依曼结构下，通常使用统一的缓存结构，即指令缓存和数据缓存共享同一个缓存存储器。
- 哈佛结构下，使用分离的缓存结构，即指令缓存和数据缓存
有独立的缓存存储器。
总的来说，冯诺依曼结构具有指令和数据共享存储器、统一总线访问和单一时钟周期内处理指令和数据读写的特点；而哈佛结构具有指令和数据分离存储器、独立总线访问和同时读取指令和数据的能力。
两种结构各有优劣，可以根据实际需求进行选择。
冯诺依曼结构和哈佛结构
计算机体系结构分类两种典型的结构：冯·诺依曼结构哈佛体系结构冯·诺依曼结构冯·诺依曼机：将数据和指令都存储在存储器中的计算机。
计算系统由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。
存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读或写。
因此程序指令和数据的宽度相同；如：Intel8086、ARM7、MIPS处理器等哈佛体系结构哈佛机：为数据和程序提供了各自独立的存储器。
程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器，这样做的后果是很难在哈佛机上编写出一个自修改的程序。
独立的程序存储器和数据存储器为数字信号处理提供了较高的性能。
指令和数据可以有不同的数据宽度；具有较高的效率；如摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog 公司的Z8系列、ARM10系列等ARM7使用冯·诺依曼体系结构。
ARM9使用哈佛体系结构。
ARM公司简介ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC（精简指令集）处理器。
1985年第一个ARM 原型在英国剑桥诞生。
公司的特点是只设计芯片，而不生产。
它提供ARM技术知识产权（IP）核，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。
有ARM7/ARM9等多个版本。
除了一些Unix图形工作站外，大多数ARM核心的处理器都使用在嵌入领域。
ARM，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。
ARM处理器的应用到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75％以上的市场份额。
全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器。
“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。
主要应用：消费类电子，无线、图像应用开放平台、存储、自动化、智能卡、SIM卡等。
哈佛架构与冯。诺依曼架构(包括MIPS)
哈佛架構與馮。
諾依曼架構（包括MIPS）發表於 2009/2/19 11:25:49 Kyosho’s Blog哈佛架構數字信號處理一般需要較大的運算量和較高的運算速度，為了提高數據吞吐量，在數字信號處理器中大多采用哈佛結構，如下圖所示圖哈佛結構與馮.諾曼架構處理器比較，哈佛架構處理器有兩個明顯的特點︰使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據並存；使用獨立的兩條匯流排，分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑，而這兩條匯流排之間毫無關聯。
後來，又提出了改進的哈佛結構，如下圖所示圖改進型哈佛結構其架構特點為︰使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據並存，以便實現並行處理；具有一條獨立的位址匯流排和一條獨立的數據匯流排，利用公用位址匯流排訪問兩個存儲模塊（程式存儲模塊和數據存儲模塊），公用數據匯流排則被用來完成程式存儲模塊或數據存儲模塊與CPU之間的數據傳輸；兩條匯流排由程式存儲器和資訊存儲器分時共用。
在典型情況下，完成一條指令需要3個步驟，即︰取指令、指令譯碼和執行指令。
從指令流的定時關係也可看出馮.諾曼架構與哈佛架構處理模式的差別。
舉一個最簡單的對存儲器進行讀寫操作的指令，如下圖所示，指令1至指令3均為存、取數指令，對馮.諾曼架構處理器，由於取指令和存取數據要從同一個存儲空間存取，經由同一匯流排傳輸，因而它們無法重疊執行，只有一個完成後再進行下一個。
圖馮.諾曼結構處理器指令流的定時關系示意圖如果采用哈佛結構處理以上同樣的3條存取數指令，如下圖所示，由於取指令和存取數據分別經由不同的存儲空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執行，這樣，也就克服了數據流傳輸的瓶頸，提高了運算速度。
哈佛結構強調了總的系統速度以及通訊和處理器配置方面的靈活性。
圖哈佛結構處理器指令流的定時關系示意圖========================================================================馮.諾曼架構1945年，馮.諾曼首先提出了“存儲程序”的概念和二進製原理，後來，人們把利用這種概念和原理設計的電子計算機系統統稱為“馮.諾曼型結構”計算機。
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冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构与改进型哈佛结构之间的区别
1、冯·诺依曼结构
冯·诺依曼结构又称作普林斯顿体系结构（Princetionarchitecture）。
1945年，冯·诺依曼首先提出了“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·诺依曼型结构”计算机。
冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输。
冯·诺依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·诺依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·诺依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，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯·诺依曼结构处理器，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。
arm7系列的CPU有很多款，其中部分CPU没有内部cache的，比如arm7TDMI，就是纯粹的冯·诺依曼结构，其他有内部cache且数据和指令的cache分离的cpu则使用了哈弗结构。
2、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，如图1所示。
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。
目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了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ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。
哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构，目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。
例如最常见的卷积运算中，一条指令同时取两个操作数，在流水线处理时，同时还有一个取指操作，如果程序和数据通过一条总线访问，取指和取数必会产生冲突，而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的。
哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题。
而对另一个操作数的访问，就只能采用Enhanced哈佛结构了，例如像TI 那样，数据区再split，并多一组总线。
或向AD那样，采用指令cache，指令区可存放一部分数据。
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·诺依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，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯·诺依曼结构处理器，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。
如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令，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。
3、冯·诺依曼体系和哈佛总线体系的区别
二者的区别就是程序空间和数据空间是否是一体的。
冯·诺依曼结构数据空间和地址空间不分开，哈佛结构数据空间和地址空间是分开的。
早期的微处理器大多采用冯·诺依曼结构，典型代表是Intel公司的X86
微处理器。
取指和取操作数都在同一总线上，通过分时服用的方式进行的。
缺点是在高速运行时，不能达到同时取指令和取操作数，从而形成了传输过程的瓶颈。
哈佛总线技术应用是以DSP和ARM为代表的。
采用哈佛总线体系结构的芯片内部程序空间和数据空间是分开的，这就允许同时取指和取操作数，从而大大提高了运算能力。
DSP芯片硬件结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构，两者区别是地址空间和数据空间分开与否。
一般DSP都是采用改进型哈佛结构，就是分开的数据空间和地址空间都不只是一条，而是有多条，这根据不同的生产厂商的DSP芯片有所不同。
在对外寻址方面从逻辑上来说也是一样，因为外部引脚的原因，一般来说都是通过相应的空间选取来实现的。
本质上是同样的道理。
4.改进型的哈佛结构与哈佛体系结构差别
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：
(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。
后来，又提出了改进的哈佛结构，其结构特点为：
(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).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；
(3).两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。
5.总结
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。