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指令和數(shù)據(jù)混合存儲與分開存儲的比較
劉愛貴
（高能物理研究所計算中心 北京 2003年）
摘要
：
存儲程序概念對計算機的發(fā)展影響深遠。本文從總線、指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、指令相關(guān)、編譯對寄存器的管理等幾個相關(guān)方面對
馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)的指令和數(shù)據(jù)混合存儲與哈佛結(jié)構(gòu)的指令和數(shù)據(jù)分開存儲進行了比較詳細的分析和比較。
關(guān)鍵詞
：
馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu) 總線 指令修改 數(shù)據(jù)表示 結(jié)構(gòu)相關(guān) 數(shù)據(jù)相關(guān) 寄存器管理
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1946
年
Von Neumann
在“電子計算機邏輯設(shè)計的初步討論”一文中，首次提出了存儲程序概念（
stored program concept
），這是馮
.
諾依曼設(shè)計思想的核心。馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中指令和數(shù)據(jù)是不加區(qū)別混合存儲在同一存儲器中的，程序執(zhí)行時通過譯碼來識別指令和數(shù)據(jù)。這種思想在現(xiàn)代計算機中仍被廣泛應(yīng)用。與馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)混合存儲思想相對應(yīng)的是一種稱為哈佛結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，其指令和數(shù)據(jù)分開存儲的，即指令和數(shù)據(jù)分別存儲于不同的存儲器中。這種設(shè)計思想廣泛用于單片機的設(shè)計中。
眾所周知，計算機的工作體現(xiàn)為程序的執(zhí)行，計算機功能的擴展在很大程度上體現(xiàn)為所存儲程序的擴展。
[1]
馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計思想各有優(yōu)缺點，本文將就幾個相關(guān)方面對兩者進行分析和比較。
馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)（如圖
1
所示）指令和數(shù)據(jù)是不加區(qū)別混合存儲的、共享數(shù)據(jù)總線，因而取指令和取操作數(shù)是不可以同時進行的。而哈佛結(jié)構(gòu)（如圖
2
所示）指令和數(shù)據(jù)是完全分開的，存儲器分為固定大小的兩個部分，分別用來存放指令和數(shù)據(jù)。這樣取指令和取操作數(shù)可以同時進行。從圖
1
可以看到，馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)和程序存儲器是共享數(shù)據(jù)總線的。數(shù)據(jù)總線共享有許多優(yōu)點，它可以減少總線的開銷，這樣控制邏輯也相對簡單。哈佛結(jié)構(gòu)中必須設(shè)置各自獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線用于訪問指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，不僅總線開銷增大許多，控制邏輯更復(fù)雜。如果要和外部的程序和數(shù)據(jù)存儲器進行交互，對于兩部分存儲器來說，由于地址總線和數(shù)據(jù)總線的相互獨立，就需要額外增加大量的芯片管腳。共享數(shù)據(jù)總線的另一個優(yōu)點在于能夠把
RAM
映射到程序空間，這樣設(shè)備也能訪問
EEPROM
中的內(nèi)存。對于指令和數(shù)據(jù)存儲器采用獨立的地址和數(shù)據(jù)總線來說，映射是非常困難的。哈佛結(jié)構(gòu)中指令和數(shù)據(jù)可以同時進行訪問，能夠在一個周期內(nèi)同時同時取指令和取操作數(shù)，這相應(yīng)減少了指令執(zhí)行時間，從而提供了很高的并行度，提高了數(shù)據(jù)吞吐率。因此并行存儲指令和專用指令可以在這種結(jié)構(gòu)上得到充分利用。馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中不能同時取指令和取操作數(shù)，由于存儲器存取速度遠遠低于
CPU
運算速度，從而使計算機運算速度受到很大限制，
CPU
與共享存儲器間的數(shù)據(jù)交換成了影響高速計算和系統(tǒng)性能的“瓶頸”。
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存儲器在現(xiàn)代計算機中作為全機數(shù)據(jù)傳送的中心，不僅要向高速運行的
CPU
提供所需的指令的數(shù)據(jù)外，還需承擔同
CPU
并行工作的大量的外部設(shè)備和終端所輸入和輸出的數(shù)據(jù)的讀寫工作。
[1]
可見存儲器已經(jīng)成為影響整個計算機系統(tǒng)運行速度的一個關(guān)鍵因素，尤其是在高性能的計算機系統(tǒng)中。存儲器的有效利用和可擴充性在體系結(jié)構(gòu)中也是很重要的。馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中，共享數(shù)據(jù)總線，即取指令和取數(shù)據(jù)的帶寬是相同的，只要總線位數(shù)足夠多，存儲器的擴充是很容易的。哈佛結(jié)構(gòu)中，指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器使用相互獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，因而地址總線和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。例如，指令存儲器的數(shù)據(jù)總線可以是
8
位、
16
位或
32
位的，而指令存儲器的數(shù)據(jù)總線是
12
位、
14
位或
16
位的。兩個存儲器數(shù)據(jù)總線寬度不相互制約，這樣可以通過增加數(shù)據(jù)存儲器和總線寬度來實現(xiàn)更大的存儲帶寬，從而縮小存儲器與
CPU
的速度差異。采用哈佛結(jié)構(gòu)的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分離，由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其較之馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)單片機指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高、速度亦更快。同時這種單片機指令多為單字節(jié)， 指令存儲器的利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。指令和數(shù)據(jù)集中存儲一個優(yōu)點是存儲空間的利用率較高，哈佛結(jié)構(gòu)的指令和數(shù)據(jù)分開存儲可能會導(dǎo)致存儲空間利用率比較低。實際的程序，指令和數(shù)據(jù)的比例一般不會為
1
：
1
，甚至兩者相差很大，所以經(jīng)常會出現(xiàn)一個存儲器放得很滿，另一個存儲器比較空的情況。現(xiàn)代計算機中的高速緩沖存儲器
Cache
，第一級
Cache
層次采用哈佛結(jié)構(gòu)，把
Cache
分為指令
Cache
和數(shù)據(jù)
Cache
兩個部分，而主存儲器采用馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)，只有一個，由指令的數(shù)據(jù)合用。如此將馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，不僅可以提高主存儲器的利用率，而且可以提高程序執(zhí)行的效率，縮短指令執(zhí)行的時鐘周期。
指令和數(shù)據(jù)混合存儲，即一個存儲單元在解釋時期其性質(zhì)是含混的。這個含混性只有當被取出或當成一條指令來執(zhí)行或當成一個數(shù)據(jù)來操作時才暫時地能分辨出來。
[3]
對含混的開拓之一，產(chǎn)生了指令修改技術(shù)。即在計算機的運算器中作為某些操作的結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，和其他的數(shù)據(jù)一樣放在存儲器中，但以后當作指令來取出和執(zhí)行。迭代法的實現(xiàn)就是靠把指令當成數(shù)據(jù)取出，對它的地址段進行修改，然后把它存起來，并把它當成一條指令再取出和再執(zhí)行。假設(shè)在哈佛結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)迭代法，可以想象是非常困難的。哈佛結(jié)構(gòu)中，指令和數(shù)據(jù)是嚴格區(qū)分的，分別存儲在不同的存儲器中，從指令存儲器中取出來的
CPU
只會把它當成指令進行處理，而不會當作數(shù)據(jù)處理。所以指令的自我修改是很難實現(xiàn)的。指令自我修改技術(shù)在指令系統(tǒng)設(shè)計中的微程序設(shè)計中得到了非常成功的應(yīng)用。機器語言的一條指令對應(yīng)于一個微程序。
微程序從微程序入口開始執(zhí)行。每條微指令執(zhí)行完畢后，都要根據(jù)其順序控制字段的規(guī)定形成后續(xù)微地址，寫入微地址寄存器
uAR
，保證微程序的連續(xù)執(zhí)行。
[2]
一些微指令的后續(xù)微地址不是按增量的方式形成的，在執(zhí)行前是不確定的，例如條件轉(zhuǎn)移微指令，只能在當前微指令執(zhí)行結(jié)束后根據(jù)測試條件確定后續(xù)微指令的地址，然后寫入微地址寄存器中，使后續(xù)微指令順利調(diào)入和執(zhí)行。
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指令與數(shù)據(jù)不加區(qū)別混合存儲，操作數(shù)本身沒有屬性標志，其類型要由指令的操作碼確定。
[1]
對于不同的數(shù)據(jù)類型，雖然進行同一種操作，也要設(shè)置不同的操作碼。例如，加法就要用定點加、浮點加、浮點雙字加、十進制加等不同的操作碼來區(qū)分不同操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型。高級語言中用說明語句來指明數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)類型直接屬于數(shù)據(jù)本身，因而運算符對各種數(shù)據(jù)類型是通用的，運算符中并不需要有數(shù)據(jù)類型的含義。所以機器語言指令的數(shù)據(jù)表示方法同高級語言的對數(shù)據(jù)屬性的說明之間有很大的語義差距。究其原因，主要是指令和數(shù)據(jù)是無法區(qū)分造成的。因而馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中多采用
CISC
指令系統(tǒng)。哈佛結(jié)構(gòu)中指令和數(shù)據(jù)是完全分開的，這種天然的屬性使我們可以采用一種帶標志的數(shù)據(jù)表示方法（如圖
3
所示）來縮小語義差距。這樣每種操作只要用一種操作碼，指令類型就較少，所需指令操作碼位數(shù)減少，可以簡化編譯器的設(shè)計。所以在哈佛結(jié)構(gòu)中采用
RISC
指令系統(tǒng)是很自然的。當然，采用帶標志符的數(shù)據(jù)表示需要增加硬件來進行數(shù)據(jù)類型的判別和轉(zhuǎn)換，但這比馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中用軟件變換效率要高得多，且生成的目標代碼較短。
指令級并行是提高計算機性能的一個主要方向，其中一個重要技術(shù)是指令流水。但是流水線中會因為指令間的相關(guān)而造成流水線的停頓，使指令不能連續(xù)不斷地進入流水線，其結(jié)果是降低流水線的工作效率，使流水線達不到理想
CPI
為
1
的目標。流水線指令相關(guān)具體分為結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)。
哈佛結(jié)構(gòu)可以免除許多結(jié)構(gòu)相關(guān)和因寄存器中數(shù)據(jù)相關(guān)引起的問題
[1]
。
結(jié)構(gòu)相關(guān)是由流水線中的指令間爭用有限硬件資源引起的。解決結(jié)構(gòu)相關(guān)可以采取把有沖突的資源配置多套的辦法。馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中存儲器沖突的結(jié)構(gòu)相關(guān)在取指令（
IF
）和訪存（
MEM
）階段是經(jīng)常發(fā)生的，即某指令需取指令的同時另一條指令在等待訪存取操作數(shù)。由于取指令和取操作數(shù)不可以同時進行，造成了流水線若干時鐘周期的延遲。這個問題在哈佛結(jié)構(gòu)中被天然地解決了，其指令和數(shù)據(jù)是分開的，
IF
和
MEM
可以同時進行，根本不會產(chǎn)生
IF
和
MEM
的結(jié)構(gòu)相關(guān)問題。數(shù)據(jù)相關(guān)是由重疊執(zhí)行的指令引用同一個存儲單元或同一個通用寄存器引起的。哈佛結(jié)構(gòu)由于取指令和取操作數(shù)的同時進行，則很大部分的操作數(shù)不必事先取出放入寄存器中暫存，而是直接可以從數(shù)據(jù)存儲器中取出送入
ALU
部件進行運算。由于沒有引用寄存器，很多寄存器的數(shù)據(jù)相關(guān)問題在無形中得到了完美的解決。而在馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中就沒有這樣幸運了，需要通過設(shè)置旁路數(shù)據(jù)源、指令調(diào)度和寄存器改名等方法來盡量解決，如果實在無法解決就只好暫停流水線。
寄存器對應(yīng)用程序是透明的，寄存器的分配和管理全部由編譯程序來負責。計算機系統(tǒng)中的寄存器數(shù)量是非常的限的，為了高效合理地分配和利用寄存器，編譯程序要運用復(fù)雜的策略進行分配。寄存器分配是一個
NP
完全問題，所以少引用寄存器將會給編譯程序減輕不小的工作量。哈佛結(jié)構(gòu)由于減少了常用數(shù)據(jù)暫存寄存器的工作量，這樣寄存器的分配和管理就會簡單很多，從而簡化了編譯程序的設(shè)計。馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)中必須事先將數(shù)據(jù)讀入寄存器中暫存，指令執(zhí)行時再從寄存器送入
ALU
部件進行運算，這就需要大量的寄存器。可是寄存器數(shù)量是很有限的，這個矛盾要由編譯程序的合理分配來緩和，這加重了編譯程序的負擔，編譯程序的設(shè)計也將變得更復(fù)雜。
如果僅僅從存儲器的角度來看，哈佛結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性更多一些。程序的執(zhí)行最終需要明確區(qū)分指令和數(shù)據(jù)，假設(shè)馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)存儲單元的含混性直到指令執(zhí)行時仍沒有得以區(qū)分，程序是沒有辦法執(zhí)行的。
Von Neumann
在
IAS
體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個很重要的設(shè)計思想是設(shè)置了各種寄存器，其中有數(shù)據(jù)寄存器
DR
和指令寄存器
IR
，這與哈佛結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想是一致的。文章前面所提到的指令自我修改技術(shù)，哈佛結(jié)構(gòu)實現(xiàn)起來比較困難，但并不是實現(xiàn)不了。完全可以設(shè)計一條專用地址修改指令用于修改指令的地址段，同樣可以達到指令修改的目的。由此可見，馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)并不是完全對立的，兩者也有著微妙的聯(lián)系。在計算機體系設(shè)計中，若能將兩者的優(yōu)點有機結(jié)合起來可能會取得非常好的實際效果。文章前面所提到的存儲層次設(shè)計就是一個很好的例證，
Cache
采用哈佛結(jié)構(gòu)，而主存儲器采用馮
.
諾依曼結(jié)構(gòu)，這樣不僅縮短了指令執(zhí)行周期，而且提高了存儲器的利用率。
[
參考文獻
]
[1]
、
孫強南、孫昱東
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2002.7
科學(xué)出版社
[2]
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1996.4
電子工業(yè)出版社
[3]
、
張效強
計算機科學(xué)技術(shù)百科全書
1998.8
清華大學(xué)出版社
指令和數(shù)據(jù)混合存儲與分開存儲的比較