设有关系模式Student(Sno，Sname，Sex，Birthday)，Course(Cno，Cname，Credit)，SC(Sno，Cno，Grade)。若在SQL Sever 2000中建有与以上模式对应的关系表，并有如下操作：
 
Ⅰ．定义Sno是Student关系表的主码，定义Cno是Course关系表的主码，定义Sno，Cno是SC关系表的主码
 
Ⅱ．定义Student关系表Sex列的取值只能为“男”或“女”，定义Course关系表Credit列的取值范围是[1，4]
 
Ⅲ．在Student关系表的Sname列上建立一个非聚集索引，在Course关系表的Cname列上建立一个非聚集索引
 
Ⅳ．定义SC关系表的Sno列的取值不能为空，并且其每一个值必须在Student关系表的Sno列的值集中
 
以上操作对内模式结构有影响的是______。
 
A) 仅Ⅰ和Ⅲ
 
B) 仅Ⅱ和Ⅲ
 
C) 仅Ⅰ和Ⅳ
 
D) 仅Ⅰ和Ⅱ
 
A．
 
B．
 
C．
 
D．

 
用于计算机体系结构教学哈佛体系结构模拟器
 
用于计算机体系结构教学哈佛体系结构模拟器 　　摘要：已有的计算机体系结构教学模拟器主要是面向冯诺依曼体系结构。针对缺乏面向哈佛体系结构模拟器这一问题，本文提出并设计了基于开源软件包Multimedia Logic(MML)[1]哈佛体系结构模拟器。该模拟器不仅具有软件的易动态运行、易修改、易二次开发的优点，同时还实现了硬件结构的逻辑门级映射[2]，从而在课程教学和实验设计方面对哈佛体系结构教学提供了很好的支持。
 
关键词：模拟器；哈佛体系结构；MML
 
在计算机体系结构课程教学过程中，冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构是重点教授的两种体系结构类型。[3]冯诺依曼结构，又称为普林斯顿结构，是一种经典的体系结构，由CPU，存储设备，I/O设备组成。[4]这种体系结构采用指令与数据合并存储的方式，程序指令宽度与数据宽度一样。随着CPU设计技术的发展，片内数据传输路径的增加，指令和数据的互斥读取很大程度上影响了CPU运行效率。为此，哈佛大学提出一种新的体系结构，在这种结构中数据存储器与程序代码存储器分开，各自有自己的数据总线与地址总线，实现指令和数据的并行读取。由于哈佛结构需要CPU提供大量的数据线，因而很少作为CPU外部构架来使用。但是对于CPU内部，通过使用不同的数据和指令缓存，可以有效地提高指令执行的效率，因而目前大部分计算机体系结构都是CPU内部的哈佛结构和CPU外部的冯诺依曼结构并存。
 
在冯诺依曼体系结构教学方面，许多大学已经开始研发各种基于软件和硬件模拟器来辅助课程教学和实验教学。[5]但在哈佛体系结构教学方面仍然缺乏有效的模拟器。[6]针对这一问题，本文介绍了我们基于开源软件包Multimedia Logic(MML)所开发的用于哈佛体系结构教学的模拟器。
 
● 模拟器结构和指令
 
1.总体结构
 
哈佛体系结构具有程序与数据物理上分开存储的特点，从而提供了较大的数据存储器带宽。哈佛体系结构的工作原理是：CPU控制器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，根据指令中操作数的地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的运算。
 
图1给出了我们所开发的哈佛体系结构模拟器框图。其中M1(DataMem)作为数据存储器，其主要功能是用于存放执行的中间结果和过程数据。M2(ProgramMem)作为程序存储器，其主要功能是用于存储程序指令。M3(OpDecode)作为指令译码器，其主要功能是将操作码信号翻译成机器能够识别的控制信号。M4(RI)作为输入寄存器，其主要功能是用于暂时存放数据存储器输出的数据。M5(RO)作为输出寄存器，其主要功能是用于暂时存放运算结果。M6(PC)作为程序计数器，其主要功能是用于存放下一条指令所在单元的地址。ALU1和ALU2是算术逻辑单元，其功能分别是控制程序计数器的地址和执行相关的逻辑运算。Display作为显示器，其主要功能是输出相关的结果。
 
2.指令系统
 
在哈佛体系结构模拟器设计中涉及的指令有5条[7]，分别是加法指令、跳转指令、加载指令、存储指令和输出指令。这些指令的具体说明详见下页表1。在这些指令中，涉及寻址方式有立即寻址和直接寻址。
 
● 模拟器设计
 
1.数据寄存器设计
 
在哈佛体系结构模拟器设计中涉及的数据寄存器有输入寄存器M4和输出寄存器M5。
 
其中输入寄存器M4的数据输入端与数据存储器的输出端相连；地址输入端与低电平相连；将控制信号DC1和时钟信号作为与门的两个输入端，再与输入寄存器的读写控制端相连；将输入寄存器的输出端与ALU2的其中一个输入端相连。图2给出了输入寄存器的设计图。[8]
 
输出寄存器M5的数据输入端与ALU2的输出端相连；地址输入端与低电平相连；将控制信号DC2和时钟信号作为与门的两个输入端，再与输入寄存器的读写控制端相连；将输出寄存器的输出端通过信号I-Mem与数据存储器的输入端相连。图3给出了输出寄存器的设计图。
 
2.存储器设计
 
在哈佛体系结构模拟器设计中涉及的存储器有数据存储器M1和程序存储器M2。
 
图4给出了数据存储器的设计图。数据存储器M1的数据输入端通过信号I-Mem与输出寄存器的输出端相连；地址输入端通过信号Imm与程序存储器的指令地址码(由于程序存储器M2输出的地址码Imm只有五位，故在其高位补零使其成为八位Imm)相连；将控制信号DC5和时钟信号作为与门的两个输入端，再与数据存储器的读写控制端相连；将数据存储器的输出端通过信号Mem与输入寄存器的输入端相连。
 
图5给出了程序存储器的设计图。程序存储器的数据输入端与低电平相连；地址输入端与程序计数器的输出端相连；将读写控制端直接与低电平相连；将程序存储器输出端的高三位作为指令译码器的操作码与指令译码器相连，低

冯诺依曼结构
 
　　冯·诺依曼结构，又称为普林斯顿体系结构，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。取指令和取操作数都在同一总线上，通过分时复用的方式进行.
 
       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。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。
 
 
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，它的主要特点是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、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）。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。
 
 
改进型哈佛结构
 
　　改进型哈佛结构虽然也使用两个不同的存储器：程序存储器和数据存储器，但它把两个存储器的地址总线合并了，数据总线也进行了合并，即原来的哈佛结构需要４条不同的总线，改进后需要两条总线。
 
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。
 
 
总结
 
　　总得来说，哈佛结构的高性能体现在单片机、DSP芯片平台上，运行的程序种类和花样较少，因为各个电子娱乐产品中的软件升级比较少，应用程序可以用汇编作为内核，最高效率的利用流水线技术，获得最高的效率。
 　　冯诺依曼结构主要是基于电脑购买者对电脑的使用途径不同 — 各种娱乐型用户、各种专业开发用户等，且安装的软件的种类繁多、升级频繁、多种软件同时运行时处理的优先级比较模糊，因特尔芯片不具备彻底智能分配各程序优先级和流水线的机制，机械的分配优先和流水线反而容易使用户不便。
 
　　冯氏结构简单、易实现、成本低，但效率偏低；哈佛结构效率高但复杂，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。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。现在的处理器虽然从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。
  

冯.诺伊曼结构
     1945年，冯.诺伊曼首先提出了“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.诺伊曼型结构”计算机。冯.诺伊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.诺伊曼结构
     冯.诺伊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.诺伊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.诺伊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.诺伊曼结构处理器，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
 
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.诺伊曼结构处理器比较，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.诺伊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.诺伊曼结构处理器，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
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     总得来说，哈佛机构的高性能体现在在单片机、DSP芯片平台上运行的程序种类和花样较少，因为各个电子娱乐产品中的软件升级比较少，应用程序可以用汇编作为内核，最高效率的利用流水线技术，获得最高的效率。
 
      冯诺依曼结构主要是基于电脑购买者对电脑的使用途径不同----各种娱乐型用户、各种专业开发用户等，且安装的软件的种类繁多，升级频繁，多种软件同时运行时处理的优先级比较模糊，因特尔芯片不具备彻底智能分配各程序优先级和流水线的机制，机械的分配优先和流水线反而容易使用户不便。
 

       比如，你使用电脑过程中对暴风影音播放器的使用中，有时希望它最快打开，有时希望它的打开实在打开浏览器之后，因此人对个人电脑的软件使用习惯是很不同的。从而，致力于提高主频和缓存的冯诺依曼结构才是PC的最佳选择。
 
 
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。