2.3 计算机体系结构

通过上一节的学习，我们已经知道了CPU的设计流程和工作原理，紧接着一个新问题又出现了：我们编写的程序存储在哪里呢？CPU内部的结构其实很简单，除了ALU、控制单元、寄存器和少量Cache，根本没有多余的空间存放我们编写的代码，我们需要额外的存储器来存放我们编写的程序（指令序列）。

存储器按照存储类型可分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器如SRAM、DDR SDRAM等，一般用作计算机的内部存储器，所以又被称为内存。这类存储器支持随机访问，CPU可以随机到它的任意地址去读写数据，访问非常方便，但缺点是断电后数据会立即消失，无法永久保存。非易失性存储器一般用作计算机的外部存储器，也被称为外存，如磁盘、Flash等。这类存储器支持数据的永久保存，断电后数据也不会消失，但缺点是不支持随机访问，读写速度也不如内存。为了兼顾存储和效率，计算机系统一般会采用内存+外存的存储结构：程序指令保存在诸如磁盘、NAND Flash、SD卡等外部存储器中，当程序运行时，相应的程序会首先加载到内存，然后CPU从内存一条一条地取指令、翻译指令和运行指令。

计算机主要用来处理数据。我们编写的程序，除了指令，还有各种各样的数据。指令和数据都需要保存在存储器中，根据保存方式的不同，计算机可分为两种不同的架构：冯·诺依曼架构和哈弗架构。

2.3.1 冯·诺依曼架构

冯·诺依曼架构，也称为普林斯顿架构。采用冯·诺依曼架构的计算机，其特点是程序中的指令和数据混合存储，存储在同一块存储器上，如图2-25所示。

在冯·诺依曼架构的计算机中，程序中的指令和数据同时存放在同一个存储器的不同物理地址上，一般我们会把指令和数据存放到外存储器中。当程序运行时，再把这些指令和数据从外存储器加载到内存储器（内存储器支持随机访问并且访问速度快），冯·诺依曼架构的特点是结构简单，工程上容易实现，所以很多现代处理器都采用这种架构，如X86、ARM7、MIPS等。

2.3.2 哈弗架构

和冯·诺依曼架构相对的是哈弗架构，使用哈弗架构的计算机系统如图2-26所示。

哈弗架构的特点是：指令和数据被分开独立存储，它们分别被存放到程序存储器和数据存储器。每个存储器都独立编址，独立访问，而且指令和数据可以在一个时钟周期内并行访问。使用哈弗架构的处理器运行效率更高，但缺点是CPU实现会更加复杂。8051系列的单片机采用的就是哈弗架构。

2.3.3 混合架构

随着处理器不断地更新换代，现在的CPU工作频率越来越高，很容易和内存RAM之间产生带宽问题：CPU的频率可以达到GHz级别，而对应的内存RAM一般工作在几百兆赫兹（目前的DDR4 SDRAM也能工作在GHz级别了）。CPU和RAM之间传输数据，要经过找地址、取数据、配置、等待、输出数据等多个时钟周期，内存带宽瓶颈会拖慢CPU的工作节奏，进而影响计算机系统的整体运行效率。为了减少内存瓶颈带来的影响，CPU引入了Cache机制：指令Cache和数据Cache，用来缓存数据和指令，提升计算机的运行效率。

现代的ARM SoC芯片架构一般如图2-27所示，SoC芯片内部的Cache层采用哈弗架构，集成了指令Cache和数据Cache。当CPU到RAM中读数据时，内存RAM不是一次只传输要读取的指定字节，而是一次缓存一批数据到Cache中，等下次CPU再去取指令和数据时，可以先到这两个Cache中看看要读取的数据是不是已经缓存到这里了，如果没有缓存命中，再到内存中读取。当CPU写数据到内存RAM时，也可以先把数据暂时写到Cache里，然后等待时机将Cache中的数据刷新到内存中。Cache缓存机制大大提高了CPU的访问效率，而SoC芯片外部则采用冯·诺依曼架构，工程实现简单。现代的计算机集合了这两种架构的优点，因此我们很难界定一款芯片到底是冯·诺依曼架构还是哈弗架构，我们就姑且称之为混合架构吧。