2.1 微处理器体系结构

2.1.1 冯·诺依曼结构和哈佛结构

1）冯·诺依曼结构

1945 年，冯·诺依曼第一次提出了“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计算机系统结构统称为冯·诺依曼型结构，也称普林斯顿结构。基于冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器，并经由同一个总线传输，该体系结构如图2.1所示。

冯·诺依曼结构是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。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。这种设计使得计算机能够高效地执行指令。冯·诺依曼体系结构还采用了基于二进制表示的数据和指令，从而极大地提高了计算机的可编程性，使得计算机能够处理各种类型的数据和指令。这也为现代计算机技术的发展奠定了基础。此外，冯·诺依曼体系结构还采用了存储程序的计算模型。这种计算模型包括了计算机能够执行的各种指令和操作，并将其存储在系统的存储器中，使得计算机能够按照程序中指定的顺序执行各个操作。这种计算模型极大地提高了计算机的可编程性，使得开发者能够通过编写程序来实现各种计算任务。

冯·诺依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·诺依曼结构主要提出并实现了“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。

目前使用冯·诺依曼结构的微处理器有很多。除了英特尔公司的 8086，还有ARM7、MIPS公司的MIPS处理器、TI的MSP430 系列、Freescale的HCS08 系列等也采用了冯·诺依曼结构。

2）哈佛结构

如图2.2 所示，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。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。

哈佛结构处理器主要有两个主要特点：一是使用两个独立的存储器，分别存储指令和数据，每个存储器都不允许指令和数据并存；二是还使用两条独立的总线，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。哈佛结构提高了数据处理的速度，由于可以同时读取指令和数据（分开存储的），从而大大提高了数据吞吐率，但缺点是增加了系统的复杂度。

目前使用哈佛结构的微处理器有：DSP芯片，Micro chip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，ARM11，ARM-Cortex系列，51 单片机也属于哈佛结构。

2.1.2 复杂指令集和精简指令集

指令集是处理器体系结构的重要组成部分，是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，包含基本数据类型、指令集、寄存器、寻址模式、存储体系、中断、异常处理以及外部I/O，它是微处理器执行程序的指令集合，包括操作码和操作数等元素。指令集的设计和选择对芯片的性能、成本和可移植性等方面有很大的影响。主要包括两种指令集架构：复杂指令集（Com plex Instruction Set Computer，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。复杂指令集计算机体系结构最早出现在 20 世纪 70 年代，其最初的设想是将多条简单的指令合并成一条复杂的指令，以提高指令集的设计效率和程序的执行速度。复杂指令集计算机单条指令可以针对一个任务执行多个操作，包括算术运算、逻辑运算、存储等操作。它具有以下特点：

①指令集较为复杂：CISC体系结构中的指令集非常庞大，涵盖了多种算术运算、逻辑运算、访问存储器等操作，每条指令执行的操作数目较多。

②可以降低程序员的工作量：它具有很强的程序兼容性，程序员可以使用语义丰富、操作多样的指令来编写程序，编程较为简便。

③数据传输能力较强：CISC指令集支持多种地址寻址方式，可以通过一条指令传输大块数据，节省了时间和空间。

④代码密度较高：CISC指令具有较长的字长和高代码密度，可以使程序占用的内存较小。

⑤对内存的使用相对较少：由于CISC指令集中包含了很多常用的命令，所以相对于RISC指令集，CISC指令可以使程序的执行速度更快，CPU可以减少内存的使用。

随着时间的推移，CISC体系结构逐渐暴露出了一些问题。CISC指令集架构虽然功能强大，但每条指令的执行时间较长，开销很大，导致处理器需要消耗更多的内存和时间来执行指令。

精简指令集计算机体系结构是 20 世纪 80 年代提出的一种新型的计算机架构，其设计思想是通过增加寄存器数量和减少指令集的复杂程度，减少单条指令的执行时间，从而提高处理器的性能和效率。RISC体系结构具有以下特点：

①指令集较为简单：RISC指令集中包含的指令种类较少，操作简单，每条指令只完成一项功能。

②程序员工作量相对较大：由于指令集较少，编写程序需要使用更多的指令，程序员需要更多的时间来编写程序。

③简单的控制机制：由于指令集规模小，所以执行控制较为简单易懂。

相对于CISC体系结构，RISC体系结构在性能和效率上都有显著的提高。CISC指令集与RISC指令集各自有优势和劣势，具体比较见表2.1。