最近幾年疆拘，隨著接觸到的技術(shù)越來越多蜕猫，在整體上對電子計算機世界的了解也越來越成熟。同時哎迄，也逐漸認(rèn)識到回右，對基礎(chǔ)知識及原理的掌握非常有助于理解更高層次的技術(shù)內(nèi)容。如果對基礎(chǔ)知識不夠了解漱挚，往往會造成空中樓閣的認(rèn)識翔烁，不能領(lǐng)會真正的精髓。

《微型計算機原理》應(yīng)該是大學(xué)電子信息/計算機類專業(yè)必修的課程吧旨涝，這個的確是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的鼻祖蹬屹，基本原理都是融會貫通的“谆回想起當(dāng)初慨默，這門課程學(xué)的是一塌糊涂。其實不光這門課弧腥，好多課學(xué)的都不好厦取，學(xué)渣屬性啊，哈哈」芴拢現(xiàn)在想起來虾攻，主要有兩點原因，一個當(dāng)然是主觀上不夠努力抛蚤；再一個就是相關(guān)的基礎(chǔ)知識台谢，或者說啟蒙吧，基本上沒有岁经，所以一頭扎進出根本不知所云∨缶冢現(xiàn)在，對計算機的知識已經(jīng)了解的挺多了缀壤，但大多偏上層的樊拓，對于最基礎(chǔ)、最底層的知識還是了解的不夠塘慕。所以筋夏，是時候來重新學(xué)習(xí)一下微機原理了。

先來看兩張圖：

這是不同時期的計算機組成框圖图呢，重要的是理解總線模型条篷，即地址總線骗随、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址線用于提供內(nèi)存或I/O設(shè)備的地址赴叹，即指明需要讀/寫數(shù)據(jù)的具體位置鸿染。數(shù)據(jù)線用于在CPU和內(nèi)存或I/O設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃刂凭€則負(fù)責(zé)指揮執(zhí)行的具體讀/寫操作乞巧。理解這個總線模型就可以了涨椒。

上面說的其實是計算機的具體實現(xiàn)方式，而關(guān)于計算機的設(shè)計模型主要有兩種思路绽媒，即大名鼎鼎的馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)蚕冬。這兩種設(shè)計的具體區(qū)別和聯(lián)系很容易了解到，這一轉(zhuǎn)一個我覺得講的很好的帖子是辕，我稍作修改囤热，以供參考。

以下內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)自https://www.sohu.com/a/382531038_505803免糕，版權(quán)歸原作者赢乓！

嵌入式的學(xué)習(xí)中ARM 處理器是主題忧侧，這些年產(chǎn)業(yè)界除了PC和服務(wù)器市場外石窑，以手機、pad 蚓炬、家電控制等為代表的嵌入式領(lǐng)域都被ARM幾乎壟斷了松逊。所以學(xué)習(xí)嵌入式處理器，其實等同于學(xué)習(xí)ARM 肯夏。（當(dāng)然了经宏，近兩年RISC-V 架構(gòu)橫空出世在快速發(fā)展，不斷挑戰(zhàn)ARM 的權(quán)威驯击，咱們后面可以專門開一個專題說說RISC-V 的事兒）烁兰。

ARM到底是馮諾依曼結(jié)構(gòu)還是哈佛結(jié)構(gòu)呢？這個問題困惑了很多人徊都，包括我沪斟。我很明確的記得我在一本書上看到過：ARM是哈佛結(jié)構(gòu)的。所以我一直記得這個結(jié)論暇矫，也沒深思主之，在講課時直接就把這個結(jié)論講出來了。直到有同學(xué)看了課程產(chǎn)生疑問找我李根，我才去深入思考了這個問題槽奕，這其實是一個很值得思考和討論的問題。

CPU和指令數(shù)據(jù)的關(guān)系

大家知道CPU的核心是運算器和控制器房轿，CPU就好像一個數(shù)據(jù)加工機器粤攒，你給他原材料數(shù)據(jù)所森，他按照機器指令的指示幫你做加工（加法減法，左移等）夯接，再將加工后的數(shù)據(jù)返回給你必峰。所以CPU需要與外界建立優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)通道，而這2種結(jié)構(gòu)就是CPU和外界存儲器建立數(shù)據(jù)通道的2種不同思路钻蹬。

大家注意CPU和外界對接的數(shù)據(jù)一共有2組吼蚁。一組是指令，也就是機器碼问欠，也就是你寫的軟件代碼被編譯器轉(zhuǎn)化成的二進制指令肝匆。另一組是數(shù)據(jù)，也就是軟件中的變量顺献，譬如放在全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的全局變量旗国，放在stack中的局部變量等，都是數(shù)據(jù)注整。

指令和數(shù)據(jù)加起來構(gòu)成了整個程序能曾，指令是指導(dǎo)CPU如何加工數(shù)據(jù)的，所以你可以簡單理解為數(shù)據(jù)是原材料肿轨，指令是加工流程說明寿冕。CPU工作時要不斷同時吞吐指令和數(shù)據(jù)，所以這2項內(nèi)容（本質(zhì)其實都是數(shù)據(jù)椒袍，指令也是二進制數(shù)據(jù)的形式）必須都有途徑能和CPU進行交換驼唱。

什么是哈佛結(jié)構(gòu)和馮諾依曼結(jié)構(gòu)

這2種結(jié)構(gòu)其實就是CPU如何同時獲取指令和數(shù)據(jù)的2種不同設(shè)計思路。

哈佛結(jié)構(gòu)認(rèn)為CPU應(yīng)該分別通過2組獨立的總線來對接指令和數(shù)據(jù)驹暑，而馮諾依曼結(jié)構(gòu)認(rèn)為CPU通過1組總線來分時獲取指令和數(shù)據(jù)即可玫恳。

舉個栗子形象說明下。你把CPU想象成一個蒸饅頭的廚房优俘，蒸饅頭需要面粉和水京办，那你怎么送面粉和水進去呢？哈佛結(jié)構(gòu)認(rèn)為這個廚房應(yīng)該開2個門帆焕，一個專門送面粉惭婿，一個專門送水。這樣面粉和水可以通過2條路走2個門同時送給廚房视搏。

這樣做的好處是顯而易見的审孽。首先速度就快啊，因為面粉和水可以同時送浑娜，不必耽擱佑力。其次，不容易搞錯筋遭，面粉走面粉的門而水走水的門打颤，怎么搞錯暴拄？而且還安全啊，譬如送水的把水桶打翻了就不會影響到面粉编饺，是吧乖篷？有壞處嗎？當(dāng)然有了（這個世界上只有好處沒有壞處的事兒很少...）透且。你開2個門修2條路得花雙份的成本啊撕蔼，是門不要錢還是路不要錢啊秽誊？其實這個也不算壞處鲸沮，叫成本更合適。記住锅论，考慮任何事的好壞評價時讼溺，一定要考慮各自的成本。不考慮成本就評價好壞純屬耍流氓最易。

馮諾依曼結(jié)構(gòu)就覺得開一個門修一條路就夠了怒坯，分時復(fù)用嘛。譬如運送一次面粉或者水都需要1秒鐘藻懒，那就這一秒送面粉剔猿，下一秒送水。然后下一秒再送面粉束析，下一秒再送水艳馒。這樣做的好處當(dāng)然就是省成本了憎亚。壞處呢员寇？顯然意見，一個是效率低第美，一個是容易弄混弄錯嘛蝶锋。

所以這2種結(jié)構(gòu)其實分別對應(yīng)的是高成本高效率高可靠性，和低成本低效率低可靠度這2種不同思路什往，很好區(qū)分扳缕。兩種結(jié)構(gòu)哪種好？沒有絕對的好壞别威。

小時候喜歡看武俠電視躯舔，里面說凡是被毒蛇咬了7步之內(nèi)必有解毒的草，因為毒蛇必然和解毒的草伴生省古，感覺很神奇粥庄。然后初中時學(xué)化學(xué)里面講到一種化學(xué)變化產(chǎn)生的效果會抑制這個化學(xué)變化本身的發(fā)生，最終達到一個平衡狀態(tài)豺妓，我覺得很神奇惜互。其實現(xiàn)在想想布讹，任何事情都是這樣，沒有絕對的好壞训堆。你要評價好壞一定要先給個前提條件限定描验，否則無從評價誰好誰壞。

那產(chǎn)業(yè)實踐中是怎樣的呢坑鱼？這2種結(jié)構(gòu)提出都很多年膘流，實踐中都有使用，咱們簡單給大家分析下鲁沥。

MCU也就是單片機中幾乎都是用哈佛結(jié)構(gòu)睡扬，譬如廣泛使用的51單片機、典型的STM32單片機（核心是ARM Cortex-M系列的）都是哈佛結(jié)構(gòu)（指令存儲在Flash中黍析，數(shù)據(jù)存儲在RAM中）卖怜。為什么MCU要使用哈佛結(jié)構(gòu)呢？我個人認(rèn)為有幾個原因：

一個是哈佛結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定安全阐枣，MCU使用的壞境對穩(wěn)定性和安全性要求都比較高马靠，所以使用哈佛結(jié)構(gòu)更有保障。另一個是速度會更快一些蔼两，因為傳統(tǒng)的MCU主頻都很低所以速度不高甩鳄，使用哈佛結(jié)構(gòu)多少能提高一些系統(tǒng)性能。還有一個考量就是MCU的指令和數(shù)據(jù)需求量都不大额划，配置不高妙啃，所以內(nèi)存往往使用SRAM而不使用DRAM，這樣就導(dǎo)致他更適合哈佛結(jié)構(gòu)俊戳，如果MCU用馮諾依曼結(jié)構(gòu)反而不好設(shè)計揖赴。當(dāng)然這些都是我自己的理解，說的不一定準(zhǔn)抑胎，我畢竟不是做CPU設(shè)計工作的燥滑，而只是使用CPU做產(chǎn)品這一段位的，理解難免不到位阿逃，各位帶著批判的眼光看即可铭拧。

PC和服務(wù)器芯片（譬如Intel AMD那些）以及ARMCortex-A系列嵌入式芯片（譬如核心是ARM CortexA8的三星S5PV210，譬如華為的麒麟970等手機芯片）等都是馮諾依曼結(jié)構(gòu)恃锉。這些系統(tǒng)都需要大量內(nèi)存搀菩，所以工作內(nèi)存都是DRAM，因為他們更適合使用馮諾依曼系統(tǒng)破托。

混合和純粹結(jié)構(gòu)

這2種結(jié)構(gòu)的定義都是很純粹的肪跋，修2個門2條路，和修1個門1條路肯定是大不相同的炼团。但是實際上CPU內(nèi)部的設(shè)計遠比給廚房修門和路要復(fù)雜的多澎嚣。譬如說寄存器和Cache疏尿，這2個就是在CPU和存儲器之間做中轉(zhuǎn)的，所以考慮了這2個之后你發(fā)現(xiàn)CPU和存儲器并不直接相連易桃，這就增加了復(fù)雜性了褥琐。

所以實際上存在這2種結(jié)構(gòu)混用的情況，而且現(xiàn)代的CPU（準(zhǔn)確說叫SoC）基本都不是純粹的哈佛結(jié)構(gòu)或馮諾依曼機構(gòu)晤郑，而都是混合結(jié)構(gòu)的敌呈。

譬如說咱們嵌入式linux核心課程中講到的三星S5PV210吧，這家伙使用ARM的Cortex-A8核心造寝，按道理應(yīng)該是馮諾依曼結(jié)構(gòu)吧磕洪。實際上確實是這樣，咱們使用的X210/Study210開發(fā)板上配備了512MB的DDR SDRAM诫龙，和8GB的EMMC析显。正常工作時所有的程序和數(shù)據(jù)都從EMMC中加載到DDR中，也就是說不管你是指令還是數(shù)據(jù)签赃，存儲都是在EMMC中谷异，運行時都在DDR中，再通過cache和寄存器送給CPU去加工處理锦聊。這就是典型的馮諾依曼系統(tǒng)嘛歹嘹。

但是，S5PV210內(nèi)部仍然有一定容量的irom和96kb的iram孔庭，這些irom和iram是用于SoC引導(dǎo)和啟動的尺上，大家學(xué)習(xí)過我們嵌入式linux核心課程的ARM裸機部分就知道，芯片上電后首先會執(zhí)行內(nèi)部irom中固化的代碼圆到，其實執(zhí)行這些代碼時210就好像一個MCU一樣怎抛，irom就是他的flash，iram就是他的SRAM构资，這又是典型的哈佛結(jié)構(gòu)抽诉。

這就是混合式結(jié)構(gòu)設(shè)計，而非純粹設(shè)計吐绵！

為什么要混合式設(shè)計？很簡單河绽，為了各取所長而已己单。不管什么架構(gòu)，我覺得好耙饰，適合解決我當(dāng)前的問題那就用了纹笼。

最后

現(xiàn)在可以回答本文的主題問題了，ARM到底是哈佛結(jié)構(gòu)還是馮諾依曼結(jié)構(gòu)苟跪？

應(yīng)該這么說：有一些ARM（Cortex-M系列）是哈佛結(jié)構(gòu)廷痘，而另一些ARM（Cortex-A）是馮諾依曼結(jié)構(gòu)（或者更準(zhǔn)確說是混合結(jié)構(gòu)）蔓涧。

問題到此結(jié)束。

最后我還在再啰嗦一句笋额，其實不管是什么結(jié)構(gòu)元暴，這些問題應(yīng)該是設(shè)計CPU的人去考慮的事，對于我們使用CPU來做嵌入式開發(fā)的人來說兄猩，究竟是什么結(jié)構(gòu)并沒有本質(zhì)影響茉盏。但是如果能深入理解這個問題，對我們提升功力枢冤，尤其提高自己的思辨能力是有益處的鸠姨。所以我提2個互相矛盾的希望，一方面希望大家遇事多想一想淹真，多思考思考讶迁，這樣才能得到更多；另一方面我希望大家研究問題適合而止核蘸，不要過度深入跨界添瓷，否則可能浪費了很多時間卻又對你的工作好無助益。

2個互相矛盾的建議值纱，怎么辦鳞贷？真理唯有一個字，謂之“度”虐唠。