哈佛x86架构哈佛框架

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数据解码者 2023-11-28 15:52:43

文章标签 哈佛x86架构系统结构哈佛架构冯诺依曼架构地址空间 文章分类 架构后端开发

1 冯诺依曼架构

冯诺依曼架构讲计算机分为五个部分：

运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备

从wiki找了一张图说明上述5个部分的关系：

哈佛x86架构哈佛框架_哈佛x86架构

冯诺依曼架构有个特点：程序和数据放在一起，位于存储器。这也就意味着，只需要一条数据总线和地址总线，就可以实现指令的读取和数据的读写。这样做硬件上当然更加简单，成本也低。但也有一个缺点，不能同时取指和读写数据，这限制了性能。

2 哈佛架构

半导体技术发展的很快，随着技术的发展，同样的价钱可以买到更多数量的晶体管。这也就意味着，为了追求更好的性能，硬件可以做的更复杂，复杂度不再（明显）是计算机架构的制约。针对冯诺依曼架构的缺点，哈佛架构被提出：将指令存储和数据存储严格分开，也即指令和数据有着完全独立的存储空间，更严格的说，指令和数据具有独立的地址空间（不仅仅是独立的存储介质）。可见，哈佛架构是一种并行体系结构，可以同时取指和读写数据。

用一张图来简单表示：

哈佛x86架构哈佛框架_系统结构_02

这种指令和数据分别存储在独立的存储介质，且各自拥有独立的地址空间的设计并没有成为主流。这就是值得思考的地方，这种设计的问题在哪里？就本人极为有限的知识储备，这里简单说以下自己的看法，权当怕抛砖引玉了。

2.1 从软件的角度看哈佛架构

当前我们使用的操作系统和编译器，数据和程序都是共用一套地址空间的。独立地址空间意味着很多软件基础设施要重写。当时没有采用独立地址空间，可能也有出于软件实现方面的考虑。

2.2 从硬件的角度看哈佛架构

从硬件上看，SRAM访问速度快，但成本和功耗高，因此容量做不大。DRAM正好相反，适合做大容量存储器。因此，假如使用I/D SRAM实现独立的存储介质，那么容量就做不大；假如使用I/D DRAM实现独立的存储介质，那么就需要两套DDR控制器，这无疑成本更高，更何况还要考虑DDR控制器所挂的高速总线的带宽，想要做到真正的并行就不能有瓶颈存在。

此外，不管是使用SRAM还是DRAM，这种完全分离的设计都缺乏灵活性，指令和数据各分配多大的？除非专用计算机，可以预设使用场景。通用的话，应用是非常灵活的，不能预判用户是对数据存储空间更大，还是程序需求空间更大，怎么分配两者的大小都不合适。

3 混合架构（改进的哈佛架构）

哈佛架构的初衷是实现并行，但其最初的架构设计有不合理的地方。因此出现了改进的哈佛架构，实际上是一种混合架构，既有哈佛架构的东西，也有冯诺依曼架构的东西。下面分别简单介绍一下当前MCU和MPU实际使用的这种混合架构。

3.1 MCU使用的混合架构

MCU一般存储器的容量比较小，很少会使用DRAM，大多使用的存储器都是SRAM、ROM以及支持XIP的Flash（一般是Nor Flash）。当然，也有例外，比如esp32系列，使用cache和SPI Flash实现了类似Nor Flash的片上执行的效果。大多数的MCU的存储架构如下：

哈佛x86架构哈佛框架_系统结构_03

复杂一些的，使用总线矩阵连接CPU和多种存储器；简单一些的也可以直接使用数据总线和指令总线连接存储器。

对比最初的哈佛架构，这种混合架构的特点是：

统一地址空间
不再保持独立的存储介质

这些改进是很合理的，首先，当前似乎也没有主流的支持独立地址空间的编译器（不确定）；再者，MCU本身存储器就小，经不起严格区分指令和数据存储介质带来的浪费，因此更切实的做法是不再限制存储介质的用途，SRAM可以存放数据也可以存放指令，ROM/Flash可以存放指令也可以存放只读数据，从而为R/W变量节约更昂贵（也更耗电的）SRAM。

必须得承认的是，这种不保持独立存储介质的设计在并行访问时会带来一定的冲突。但大体上，数据是放在SRAM，指令放在ROM/Flash，混放并不严重。此外，也可以对存储介质做物理上的划分来减少冲突。因此，冲突总体是可以接受的，大体还是发挥了哈佛架构并行的优势（工程嘛，总是要有所取舍的）。

值得一提的是，统一地址空间的具体实现又可以进一步细分：

I/D地址范围不重合

实际映射的物理存储介质完全重合
实际映射的物理存储介质部分重合
实际映射的物理存储介质完全不重合

I/D地址范围重合

当我们需要自己写链接脚本的时候，上述这些细分情况还是有必要弄清楚的。当前，主流应该是I/D地址范围重合，个人觉得这也是对软件来说最清晰的设计。

3.2 MPU使用的混合架构

MPU一般需要大容量的内存，需要大容量的DRAM，而DRAM的速度和CPU的速度差距太大，因此需要Cache（不妨理解为SRAM）作为缓冲。用一幅图来描述这种混合架构（简单起见，MMU就不画了）：

哈佛x86架构哈佛框架_冯诺依曼架构_04

对比最初的哈佛架构，这种混合架构的特点是：

统一地址空间
内部保持指令和数据的存储介质独立，外部则是统一的DRAM

这样设计的合理性在于，CPU所有的数据和指令都是从Cache获取（不要抬杠少部分uncache的情况），因此保持对Cache访问的严格并行可以带来很大的性能收益。所以Cache一般划分ICache和DCache。并且Cache的容量也不大，这种划分带来的灵活性的损失也是可以接受的。大容量的DRAM则没有限制数据和指令的存储，配合MMU，可以实现非常灵活的内存管理。