ARM到底是冯诺依曼结构还是哈佛结构？

嵌入式资讯精选 2020-03-23 00:00

构建AI未来，Arm计算平台无处不在 如何提升高压系统的实时性能?

问题

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。（当然了，近两年RISC-V架构横空出世在快速发展，不断挑战ARM的权威，咱们后面可以专门开一个专题说说RISC-V的事儿）

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种不够思路。

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（这个世界上只有好处没有坏处的事儿很少...）。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。

两种结构哪种好

没有绝对的好坏。

小时候喜欢看武侠电视，里面说凡是被毒蛇咬了7步之内必有解毒的草，因为毒蛇必然和解毒的草伴生，感觉很神奇。然后初中时学化学里面讲到一种化学变化产生的效果会抑制这个化学变化本身的发生，最终达到一个平衡状态，我觉得很神奇。其实现在想想，任何事情都是这样，没有绝对的好坏。你要评价好坏一定要先给个前提条件限定，否则无从评价谁好谁坏。

那产业实践中是怎样的呢？这2种结构提出都很多年，实践中都有使用，咱们简单给大家分析下。

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。