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ARM到底是冯诺依曼结构还是哈佛结构

  • 发布:朱有鹏
  • 来源:朱老师IT充电站
  • 时间:2020-03-27 16:08

嵌入式的学习中ARM处理器是主题,这些年产业界除了PC和服务器市场外,以手机、pad、家电控制等为代表的嵌入式领域都被ARM几乎垄断了。所以学习嵌入式处理器,其实等同于学习ARM

ARM到底是冯诺依曼结构还是哈佛结构呢?这个问题困惑了很多人,包括我。我很明确的记得我在一本书上看到过:ARM是哈佛结构的。所以我一直记得这个结论,也没深思,在讲课时直接就把这个结论讲出来了。直到有同学看了课程产生疑问找我,我才去深入思考了这个问题,这其实是一个很值得思考和讨论的问题。

CPU和指令数据的关系

大家知道CPU的核心是运算器和控制器,CPU就好像一个数据加工机器,你给他原材料数据,他按照机器指令的指示帮你做加工(加法减法,左移等),再将加工后的数据返回给你。所以CPU需要与外界建立优质的数据通道,而这2种结构就是CPU和外界存储器建立数据通道的2种不同思路。

大家注意CPU和外界对接的数据一共有2组。一组是指令,也就是机器码,也就是你写的软件代码被编译器转化成的二进制指令。另一组是数据,也就是软件中的变量,譬如放在全局数据区的全局变量,放在stack中的局部变量等,都是数据。

指令和数据加起来构成了整个程序,指令是指导CPU如何加工数据的,所以你可以简单理解为数据是原材料,指令是加工流程说明。CPU工作时要不断同时吞吐指令和数据,所以这2项内容(本质其实都是数据,指令也是二进制数据的形式)必须都有途径能和CPU进行交换。

什么是哈佛结构和冯诺依曼结构?

这2种结构其实就是CPU如何同时获取指令和数据的2种不同设计思路。

哈佛结构认为CPU应该分别通过2组独立的总线来对接指令和数据,而冯诺依曼结构认为CPU通过1组总线来分时获取指令和数据即可。

举个栗子形象说明下。你把CPU想象成一个蒸馒头的厨房,蒸馒头需要面粉和水,那你怎么送面粉和水进去呢?哈佛结构认为这个厨房应该开2个门,一个专门送面粉,一个专门送水。这样面粉和水可以通过2条路走2个门同时送给厨房。

这样做的好处是显而易见的。首先速度就快啊,因为面粉和水可以同时送,不必耽搁。其次,不容易搞错,面粉走面粉的门而水走水的门,怎么搞错?而且还安全啊,譬如送水的把水桶打翻了就不会影响到面粉,是吧?有坏处吗?当然有了。你开2个门修2条路得花双份的成本啊,是门不要钱还是路不要钱啊?其实这个也不算坏处,叫成本更合适。记住,考虑任何事的好坏评价时,一定要考虑各自的成本。不考虑成本就评价好坏纯属耍流氓。

冯诺依曼结构就觉得开一个门修一条路就够了,分时复用嘛。譬如运送一次面粉或者水都需要1秒钟,那就这一秒送面粉,下一秒送水。然后下一秒再送面粉,下一秒再送水。这样做的好处当然就是省成本了。坏处呢?显然意见,一个是效率低,一个是容易弄混弄错嘛。所以这2种结构其实分别对应的是高成本高效率高可靠性,和低成本低效率低可靠度这2种不同思路。很好区分。

MCU也就是单片机中几乎都是用哈佛结构,譬如广泛使用的51单片机、典型的STM32单片机(核心是ARM Cortex-M系列的)都是哈佛结构。为什么MCU要使用哈佛结构呢?我个人认为有几个原因。

一个是哈佛结构更加稳定安全,MCU使用的坏境对稳定性和安全性要求都比较高,所以使用哈佛结构更有保障。另一个是速度会更快一些,因为传统的MCU主频都很低所以速度不高,使用哈佛结构多少能提高一些系统性能。还有一个考量就是MCU的指令和数据需求量都不大,配置不高,所以内存往往使用SRAM而不使用DRAM,这样就导致他更适合哈佛结构。如果MCU用冯诺依曼结构反而不好设计。当然这些都是我自己的理解,做不得准,我毕竟不是做CPU设计工作的,而只是使用CPU做产品这一段的,理解难免不到位,各位带着批判的眼光看即可。

PC和服务器芯片(譬如Intel AMD那些出的),ARMCortex-A系列嵌入式芯片(譬如核心是ARM CortexA8的三星S5PV210,譬如华为的麒麟970等手机芯片)等都是冯诺依曼结构。这些系统都需要大量内存,所以工作内存都是DRAM,因为他们更适合使用冯诺依曼系统。

混合和纯粹结构

这2种结构的定义都是很纯粹的,修2个门2条路,和修1个门1条路肯定是大不相同的。但是实际上CPU内部的设计远比给厨房修门和路要复杂的多。

譬如说寄存器和Cache,这2个就是在CPU和存储器之间做中转的,所以考虑了这2个之后你发现CPU和存储器并不直接相连,这就增加了复杂性了。

所以实际上存在这2种结构混用的情况,而且现代的CPU(准确说叫SoC)基本都不是纯粹的哈佛结构或冯诺依曼机构,而都是混合结构的。

譬如说咱们嵌入式linux核心课程中讲到的三星S5PV210吧,这家伙使用ARM的Cortex-A8核心,按道理应该是冯诺依曼结构吧。实际上确实是这样,咱们使用的X210/Study210开发板上配备了512MB的DDR SDRAM,和8GB的EMMC。正常工作时所有的程序和数据都从EMMC中加载到DDR中,也就是说不管你是指令还是数据,存储都是在EMMC中,运行时都在DDR中,再通过cache和寄存器送给CPU去加工处理。这就是典型的冯诺依曼系统嘛。

但是,S5PV210内部仍然有一定容量的irom和96kb的iram,这些irom和iram是用于SoC引导和启动的,大家学习过我们嵌入式linux核心课程的ARM裸机部分就知道,芯片上电后首先会执行内部irom中固化的代码,其实执行这些代码时210就好像一个MCU一样,irom就是他的flash,iram就是他的SRAM,这又是典型的哈佛结构。

这就是混合式结构设计,而非纯粹设计。

为什么要混合式设计?很简单,为了各取所长而已。不管什么架构,我觉得好,适合解决我当前的问题那就用了。

最后

现在可以回答本文的主题问题了,ARM到底是哈佛结构还是冯诺依曼结构?

应该这么说:有一些ARM(Cortex-M系列)是哈佛结构,而另一些ARM(Cortex-A)是冯诺依曼结构(或者更准确说是混合结构)。

最后我还在再啰嗦一句,其实不管是什么机构,这些问题应该是设计CPU的人去考虑的事,对于我们使用CPU来做嵌入式开发的人来说,究竟是什么结构并没有本质影响。但是如果能深入理解这个问题,对我们提升功力,尤其提高自己的思辨能力是有益处的。

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