哈佛结构和冯·诺依曼结构的区别

冯·诺伊曼

一、哈佛结构

哈佛结构(Harvard architecture)是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构。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)。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,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储存的,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。大多数DSP是哈佛结构的。

二、冯·诺伊曼结构

冯.诺伊曼结构(von Neumann architecture),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电脑设计概念结构。该结构隐约指导了将储存装置与中央处理器分开的概念,因此依该结构设计出的计算机又称储存程式型电脑。

最早的计算机器仅内涵固定用途的程式。现代的某些计算机依然维持这样的设计方式,通常是为了简化或教育目的。例如一个计算器仅有固定的数学计算程式,它不能拿来当作文书处理软件,更不能拿来玩游戏。若想要改变此机器的程式,你必须更改线路、更改结构甚至重新设计此机器。当然最早的计算机并没有设计的那个可编程化。当时所谓的“重写程式”很可能指的是纸笔设计程式步骤,接着制订工程细节,再施工将机器的电路配线或结构改变。

而储存程式型电脑的概念改变了这一切。借由创造一组指令集结构,并将所谓的运算转化成一串程式指令的执行细节,让此机器更有弹性。借着将指令当成一种特别型态的静态资料,一台储存程式型电脑可轻易改变其程式,并在程控下改变其运算内容。冯·诺伊曼结构储存程式型电脑是互相通用的名词,其用法将于下述。而哈佛结构则是一种将程式资料与普通资料分开储存的设计概念,但是它并未完全突破冯.诺伊曼架构。

储存程式型概念也可让程式执行时自我修改程式的运算内容。本概念的设计动机之一就是可让程式自行增加内容或改变程式指令的内存位置,因为早期的设计都要使用者手动修改。但随着索引暂存器与间接位置存取变成硬件结构的必备机制后,本功能就不如以往重要了。而程式自我修改这项特色也被现代程式设计所弃扬,因为它会造成理解与除错的难度,且现代中央处理器的管线与快取机制会让此功能效率降低。

从整体而言,将指令当成资料的概念使得组合语言、编译器与其他自动编程工具得以实现;可以用这些“自动编程的程式”,以人类较易理解的方式编写程式;从局部来看,强调I/O的机器,例如Bitblt,想要修改画面上的图样,以往是认为若没有客制化硬件就办不到。但之后显示这些功能可以借由“执行中编译”技术而有效达到。

此结构当然有所缺陷,除了下列将述的冯·诺伊曼瓶颈之外,修改程式很可能是非常具伤害性的,无论无意或设计错误。在一个简单的储存程式型电脑上,一个设计不良的程式可能会伤害自己、其他程式甚或是操作系统,导致当机。缓冲区溢位就是一个典型例子。而创造或更改其他程式的能力也导致了恶意软件的出现。利用缓冲区溢位,一个恶意程式可以覆盖呼叫堆栈(Call stack)并覆写程式码,并且修改其他程式档案以造成连锁破坏。内存保护机制及其他形式的存取控制可以保护意外或恶意的程式码更动。大多数CPU和GPU是冯诺依曼结构的。

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