ARM处理器:“冯·诺依曼”体系结构和“哈佛”体系结构

保存在存储器中的内容可以是程序，也可以是数据。程序是ARM处理器可以运行的指令代码，数据是指令在运行中用到的操作数或者变量。

1、程序存储

ARM处理器支持两种指令，一种是ARM汇编指令，一种是Thumb汇编指令。ARM汇编指令是32位长，即每条ARM汇编指令都是由四个字节的存储空间保存，所以ARM处理器在执行地址a的ARM汇编指令时，会从地址a + 4取下一条指令。Thumb汇编指令是16位长，即每条Thumb汇编指令都是由两个字节的存储空间保存，所以ARM处理器在执行地址a的Thumb汇编指令时，会从地址a + 2取下一条指令。

ARM处理器可以执行两种格式的指令，运行不同格式的汇编指令在执行和取指方面有很大不同。为了区分，ARM内核可以工作在两种工作状态下。

lARM状态 此时执行32位字对齐的ARM汇编指令。在这种状态下，ARM处理器对指令的存储、读取或者执行都是以一个字(即32位)为基本单位;

lTHUMB状态 此时执行16位半字对齐的Thumb汇编指令。在这种状态下，ARM处理器对指令的存储、读取或者执行都是以一个半字(即16位)为基本单位;

l这两种工作状态可以转换，但转换不影响处理器状态和寄存器的内容。

2、数据存储

ARM处理器对数据操作(读或写)支持三种数据长度：字节(8位)、半字(16位)、字(32位)。假设在地址为0x0000～0x0004的内存空间保存了如图1所示的数据，下面我们以三种数据长度从内存空间读取数据。(假设数据的存储格式是小端存储格式)

图1 内存空间的内容

l字节：从地址0x0000处取一个字节数据，则取出来的内容为12;从地址0x0001处取一个字节数据，则取出来的内容为34;

l半字：从地址0x0000处取一个半字数据，则取出来的内容为3412;从地址0x0001处取一个半字数据，则取出来的内容为5634;

l字：从地址0x0000处取一个字数据，则取出来的内容为78563412;从地址0x0001处取一个字数据，则取出来的内容为9A785634。

需要注意的是，ARM处理器在对数据操作时要边界对齐，要找到正确的地址。在对16位数据操作时，地址数据末位(0)应该为0，在对32位数据操作时，地址数据末两位(1:0)应该都为0。比如上面对字进行操作时，ARM处理器不允许从地址0x0001处读取一个字内容出来。

现在常用的ARM版本中，都不支持非对齐字的传输(ARMv3、ARMv4、ARMv5)。在ARMv6中，开始支持非对齐字的传输。

3、“冯·诺依曼”体系结构和“哈佛”体系结构

说到ARM程序与数据存储，应该讲一下“冯·诺依曼”体系结构和“哈佛”体系结构。因为ARM7系列采用冯·诺依曼体系结构，而ARM9~ARM11采用哈佛体系机构。两种结构描述如下：

“冯·诺依曼”体系结构

20世纪30年代中期，德国科学家冯诺依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制;计算机应该按照程序顺序执行。

其主要内容是：

l计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。

l程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址确定。

l控制器根据存放在存储器中地指令序列(程序)进行工作，并由一个程序计数器控制指令地执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的工作流程。

“哈佛”体系结构

数字信号处理一般需要较大的运算量和较高的运算速度，为了提高数据吞吐量，在数字信号处理器中大多采用哈佛结构。

哈佛结构特点如下：

l使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理;

l具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块(程序存储模块和数据存储模块)，公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输;

两种结构区别

在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。从指令流的定时关系也可看出冯.诺曼结构与哈佛结构处理方式的差别。

举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯.诺曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。

如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令，如下图所示，由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线，使得各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，提高了运算速度。