OS | 冯诺伊曼体系和哈佛体系

冯·诺伊曼结构（von Neumann architecture），也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的计算机设计概念结构。本词描述的是一种实现通用图灵机的计算设备，以及一种相对于并行计算的串行式结构参考模型（referential model）。此结构隐约指导了将存储设备与中央处理器分开的概念，因此依本结构设计出的计算机又称存储程序型计算机。

冯.诺依曼(Von Neumann)指出：程序只是一种（特殊）的数据，它可以像数据一样被处理，因此可以和数据一起被存储在同一个存储器中——这就是著名的冯.诺依曼原理。

将CPU与存储器分开并非十全十美，反而会导致所谓的冯·诺伊曼瓶颈（von Neumann bottleneck）：在CPU与存储器之间的流量（数据传输率）与存储器的容量相比起来相当小，在现代计算机中，流量与CPU的工作效率相比之下非常小，在某些情况下（当CPU需要在巨大的数据上运行一些简单指令时），数据流量就成了整体效率非常严重的限制。CPU将会在数据输入或输出存储器时闲置。由于CPU速度远大于存储器读写速率，因此瓶颈问题越来越严重。

Von Neumann architecture describes a design architecture for an electronic digital computer with subdivisions of a processing unit consisting of an arithmetic logic unit and processor registers, a control unit containing an instruction register and program counter, a memory to store both data and instructions, external mass storage, and input and output mechanisms.The meaning of the term has evolved to mean a stored-program computer in which an instruction fetch and a data operation cannot occur at the same time because they share a common bus. This is referred to as the Von Neumann bottleneck and often limits the performance of the system.

Harvard architecture is also a stored-program system but has one dedicated set of address and data buses for reading data from and writing data to memory, and another set of address and data buses for fetching instructions.

哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠。

The Harvard architecture is a computer architecture with physically separate storage and signal pathways for instructions and data.

在嵌入式应用领域，哈佛结构却拥有着绝对的优势。哈佛结构与冯·诺依曼结构的最大区别在于冯·诺依曼结构的计算机采用代码与数据的统一编址，而哈佛结构是独立编址的，代码空间与数据空间完全分开。

在通用计算机系统中，应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内容，并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配，这种情况下，冯·诺依曼结构占有绝对优势，因为统一编址可以最大限度地利用资源，而哈佛结构的计算机若应用于这种情形下则会对存储器资源产生理论上最大可达50%的浪费，这显然是不合理的。

但是在嵌入式应用中，系统要执行的任务相对单一，程序一般是固化在硬件里。当然这时使用冯· 诺依曼结构也完全可以，代码区和数据区在编译时一次性分配好了而已，但是其灵活性得不到体现，所以现在大量的单片机也还在沿用冯·诺依曼结构。

嵌入式计算机在工作时与通用计算机有着一些区别：嵌入式计算机在工作期间的绝大部分时间是无人值守的，而通用计算机工作期间一般是有人操作的；嵌入式计算机的故障可能会导致灾难性的后果，而通用计算机一般就是死死机，重新启动即可。这两点决定了对嵌入式计算机的一个基本要求：可靠性。

使用冯·诺依曼结构的计算机，程序空间不封闭，程序空间的数据在运行期理论上可以被修改，此外程序一旦跑飞也有可能运行到数据区。虽然都是一些不常见的特殊情况下，但是看看哈佛结构德计算机在这些情况下是怎样的：基于哈佛结构的处理器入 MCS-51，不需要可以对代码段进行写操作的指令，所以不会有代码区被改写的问题；程序只能在封闭的代码区中运行，不可能跑到数据区，这也是跑飞的几率减少并且跑飞后的行为有规律（数据区的数据是不断变化的而代码区是不变的）。

所以，相对于冯·诺依曼结构，哈佛结构更加适合于那些程序固化、任务相对简单的控制系统。

哈佛结构采用数据存储器与程序代码存储器分开，各自有自己的数据总线与地址总线。但这是需要CPU提供大量的数据线，因而很少使用哈佛结构作为CPU外部构架来使用。但是对于 CPU内部，通过使用不同的数据和指令cache，可以有效的提高指令执行的效率，因而目前大部分计算机体系都是CPU内部的哈弗结构+CPU外部的冯· 诺伊曼的结构。

The most common modification includes separate instruction and data caches backed by a common address space. While the CPU executes from cache, it acts as a pure Harvard machine. When accessing backing memory, it acts like a von Neumann machine (where code can be moved around like data, which is a powerful technique). This modification is widespread in modern processors such as the ARM architecture and x86 processors. It is sometimes loosely called a Harvard architecture, overlooking the fact that it is actually "modified". CPU cache memory is divided into an instruction cache and a data cache.