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  • 全面理解冯诺依曼结构和哈佛结构 CPU采用的是哈佛结构还是冯诺依曼结构? 0. 前言 哈佛结构和冯诺依曼结构都是针对于CPU来说的。 1. 冯诺依曼结构 冯诺伊曼结构又称为普林斯顿体系结构,是一种将程序存储器和数据...

    参考资料:
    全面理解冯诺依曼结构和哈佛结构
    CPU采用的是哈佛结构还是冯诺依曼结构?


    0. 前言

    哈佛结构和冯诺依曼结构都是针对于CPU来说的。

    1. 冯诺依曼结构

    冯诺伊曼结构又称为普林斯顿体系结构,是一种将程序存储器数据存储器合并在一起的处理器架构设计,使用同一个存储器,经由同一个总线传输。由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取,并经同一总线传输,无法重叠执行,只能step by step,因此影响了数据处理速度的提高。冯诺伊曼结构处理器具有以下特点:

    • 必须有一个存储器;

    • 必须有一个控制器;

    • 必须有一个运算器(算术运算与逻辑运算);

    • 必须有输入输出设备(人机通信)。

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    冯诺依曼结构中不独立区分程序和数据空间,处理器只有一套总线,即程序和数据空间共用地址和数据总线,取指令和取数据不能同时进行。

    早期的微处理器大多采用冯·诺依曼结构,如:英特尔公司的8086,英特尔公司的其他中央处理器,ARM的ARM7,MIPS公司的MIPS处理器。其中,典型代表是Intel公司的X86微处理器,广泛用于桌面端(台式/笔记本/服务器/工作站等)。

    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,例如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。哈佛结构处理器具有如下特点:

    • 程序存储器与数据存储器分开。
    • 提供了较大的存储器带宽,各自有自己的总线。
    • 适合于数字信号处理。

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    哈佛结构的出现是为了减轻程序运行时的访存瓶颈,哈佛架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。

    哈佛结构中程序空间和数据空间是独立的,具有各自独立的地址线和数据总线,即处理器有两套总线,一套是程序存储器的数据和地址总线,一套是数据存储器的数据和地址总线。取址和取数据能并发进行

    目前使用哈佛架构的中央处理器和微控制器有很多,有 Microchip公司的PIC系列芯片、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,自ARM11以后,ARM公司的内核均以Cortex命名。

    3. 改进的哈佛结构

    改进的哈佛结构使用两个独立的存储器模块(程序存储器和数据存储器),处理器只有一套总线,分时访问程序存储器和数据存储器,但是在处理器中有指令cache和数据cache将程序和数据分开(冯诺依曼结构中没有指令cache和数据cache),所以处理器仍然可以并步执行取指令和取数据,从这点看处理器仍然属于哈佛结构。

    改进型哈佛结构是在普通哈佛结构的基础上加上独立的缓冲区cache, 虽然处理器只有一套总线,但由于cache的存在,CPU直接访问的是cache而cache又分为指令cache和数据cache,这两个cache是独立的,所以可以同时访问指令和数据,也就是说能够并行运行

    从ARM9开始以后所有的ARM处理器内核都是改进型的哈佛结构

    4. 总结

    哈佛结构和冯诺依曼结构的主要区别就是处理器能不能实现取指令和取数据的并发进行程序空间和数据空间是否是一体

    • 冯·诺依曼结构:冯·诺依曼结构中,取指令与取操作数都在同一条总线上,总线结构简单,所以成本也低,早期该结构的处理器能迅速抢占市场。但也是因为取指令与取操作数都在同一条总线上,只能通过分时复用进行,所以在高速运行时,不能达到同时取指令与取操作数,从而造成传输过程的瓶颈。
    • 哈佛结构:哈佛结构具有复杂而又强大的总线结构,其芯片内部程序空间和数据空间是分开的,可以同时取指令与取操作数,数据吞吐率高,运算速度更快。但是设计实现复杂,成本较高。
    • 改进型的哈佛结构:改进型的哈佛结构结合了两者的长处,将其融合到一起,实现了优化。
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  • 冯诺依曼体系结构五大部分 冯诺依曼五大结构体系 CSDN冯 诺依曼原理中,计算机硬件系统由那五大部分组成的 急急急急急急急急急急急急急急急急急急急急急急冯诺依曼结构原理及层次结构分析冯 诺依曼体系结构的发展背景...

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    冯 诺依曼原理中,计算机硬件系统由那五大部分组成的 急急急急急急急急急急急急急急急急急急急急急急

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    冯诺依曼结构原理及层次结构分析

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  • 1-2 冯诺依曼结构的要点

    千次阅读 2021-07-24 00:29:49
    概述:现代的计算机,形态各异,但是究其本质,几乎全部采用了冯诺依曼结构。要了解计算机,首先要知道什么是冯诺依曼结构。一、冯诺依曼和《关于EDVAC的报告草案》1.在冯诺依曼署名编写的这份报告中,详细描述了...

    概述:现代的计算机,形态各异,但是究其本质,几乎全部采用了冯诺依曼结构。

    要了解计算机,首先要知道什么是冯诺依曼结构。

    一、冯诺依曼和《关于EDVAC的报告草案》

    1.在冯诺依曼署名编写的这份报告中,详细描述了EDVAC这台计算机的设计方案。

    2.该报告所描述的计算机结构,即为“冯诺依曼计算机结构”,简称“冯诺依曼结构”

    3.该报告论述了两个重要思想

    <1>存储程序

    <2>二进制

    4.这份报告还明确了计算机的五个部分

    <1>运算器,控制器(CPU)

    <2>存储器(内存)

    <3>输入设备,输出设备(硬盘,U盘,鼠标,键盘等)

    二、冯诺依曼结构的要点

    1.计算机的五大组成部分

    <1>运算器,CA,Central arithmetical

    <2>控制器,CC,Central control

    <3>存储器,M,Memory

    <4>输入设备,I,Input

    <5>输出设备,O,Output

    <6>五大部件连接成一体,就构成了冯诺依曼结构的计算机

    2.数据和程序均以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中,存放位置由存储器的地址指定

    3.计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令加以执行(PC)

    4. 第2点和第3点即所谓的存储程序的概念

    三、冯诺依曼结构的核心

    1.

    冯诺依曼结构          现代计算机

    运算器CA和控制器CC      CPU(Central Processing Unit)

    存储器M           主存储器(主存,内存)

    2.CPU和主存储器间通过系统总线进行连接

    四、主存的组织形式

    1.地址:每个存储单元对应的编号,一般从0开始(下方是0)

    2.内容:存储单元存放的信息

    3.主存中存放的就是计算机中所需要使用的程序和数据

    五、存储程序的概念

    计算机所需要的程序和数据,通过输入设备进入了存储器,

    控制器发出地址给存储器,获得程序当中对应的指令,还可以得到相应的数据,

    控制器发命令给运算器,指挥运算器对数据进行相应的运算,

    运算器可能会返回一些运算的状态,比如说是否正确完成等等,

    最后还会将运算的结果存放到存储器中,

    最后还还需要通过输出设备,将结果输出到计算机外部的某些存储介质上(如硬盘),

    这样才完成整个计算的过程。

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  • 冯诺依曼结构

    2021-08-03 15:26:22
    冯诺依曼组成(硬件构成) 计算机一共有5大单元组成:输入设备,输出设备,存储器,控制器,运算器。他们之间由总线连接。 输入设备:向计算机输入数据和信息的设备。包括键盘,鼠标,摄像头,网卡和硬盘等等...

    目录

    一.冯诺依曼组成(硬件构成)

    二.存储设备

    2.1 存储器金字塔

    2.2 缓存

     三.总结


    一.冯诺依曼组成(硬件构成)

            计算机一共有5大单元组成:输入设备,输出设备,存储器,控制器,运算器。他们之间由总线连接。

             输入设备:向计算机输入数据和信息的设备。包括键盘,鼠标,摄像头,网卡和硬盘等等(网卡是因为从网络接收数据相当于输入设备,硬盘往硬盘写东西,硬盘相当于输入设备)

            输出设备:是计算机的终端,用于接收计算机发出的数据信息。包括显示器,声卡,网卡,硬盘。(网卡是因为通过网卡发送数据到网络上,硬盘从硬盘上读取文件)

            存储器:在冯诺依曼结构里,存储器主要指的是内存。

            运算器:用来进行算术和逻辑运算

            控制器:发布命令的"决策机构",完成协调和指挥计算机系统的操作。

    输入设备和输出设备一般都是外围设备,简称外设。运算器和控制器组成中央处理器(CPU)。

    二.存储设备

    2.1 存储器金字塔

             内存:具有掉电易失性的存储介质,但是它的存储速度相比较于外设快,但是比CPU慢。

            硬盘:是具有永久性的存储介质。

    2.2 缓存

            缓存这个概念相信大家都不陌生,当一个速度较慢的设备访问一个速度较快的设备时需要通过缓存来提高效率。一般都是快的设备给慢的设备做缓存

            在冯诺依曼结构里我们发现外设数据没有直接和CPU做交互,而是给存储器。这是为什么呢?

            这是因为外设里CPU远,速度很慢,但是CPU的速度是非常快的。如果外设的数据直接于CPU做交互,会导致CPU要一值等外设送来数据,导致计算机整体的效率会以外设速度为主,导致速度很慢。外设直接将数据交给内存,再由内存将数据交给CPU因为内存速度比外设快,可以提高计算机整体效率

            从认知上,可以将内存看作是外设和CPU的一个"缓存"。

            内存是怎么实现提高效率的?

            在输入设备输入数据时,内存会对数据进行预加载。内存会将数据的一部分提前加载到内存中,而不是一条一条的加载。当CPU处理完数据给输出设备时,内存会将CPU处理的数据预写入到CPU。将数据部分提前写入内存。最后等待刷新访问数据。

            设个时候可能会有一个问题。当我们往键盘输入数据时,内存怎么知道我们下一个会输入什么呢?

            这里只能说,有些设备是可以预加载的有些设备是不可以预加载的。键盘就属于不可以预加载的。但是我们写好的程序运行前都会要加载到内存中,运行时并不是执行一条,一条加载到内存,而是部分预先就加载到内存了。

            这个工作时谁来做的?(数据从外设搬到存储器,数据搬到到内存什么位置...)

             操作系统做的

     三.总结

            CPU不和外设打交道,直接与内存打交道

            外设不和CPU打交道,直接和内存打交道

            内存是计算机数据的核心。

            但是我们发现控制器可以直接和外设,内存打交道。

    冯诺依曼结构,从硬件上就决定了,外设数据必须先经过内存在到CPU,CPU数据必须经过内存再到外设。为以后计算机的发展打下基础。操作系统就是通过这一性质搭载到计算计算机硬件上的。 

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