1.1.1　CPU体系结构加速

接下来，本节深入探讨CPU的体系结构，不外乎图1.2所示的几种：冯·诺依曼体系结构、哈佛结构、改进的哈佛结构，这几种结构有各自的优势，应用于不同的产品中，也有各自的优缺点，其中X86处理器是较典型的冯·诺依曼体系结构，广泛应用于个人计算机、工作站、服务器等；而ARM处理器是较典型的哈佛结构，广泛应用于单片机、ARM芯片等终端芯片，如手机、平板的CPU。关于具体的细分，详见图1.2所示的计算机体系结构思维导图。

冯·诺依曼体系结构（von Neumann Architecture），也称普林斯顿结构，冯·诺伊曼体系结构CPU，如图1.3所示，是一种将程序指令和数据合并在一起的存储器结构。该结构中程序指令和数据共用一条总线，通过分时复用的方式进行读写操作，结构相对简单，总线面积较小，但缺点是效率低，无法同时取程序指令和数据，成为执行的瓶颈。

图1.2　计算机体系结构思维导图

为了解决冯·诺依曼体系结构无法并行取指令和数据的问题，提高计算效率，在此基础上提出了哈佛结构（Harvard Structure），哈佛结构是一种将程序指令和数据分开的存储器结构，其CPU如图1.4所示。该结构由于程序指令和数据存储在两个独立的存储器，各自有独立的访问总线，因此提供了更大的存储器带宽，减轻了程序运行时访问内存的瓶颈。但相应的也需要独立的存储器，以及更大的总线面积，其中ARM就是典型的哈佛结构。

图1.3　冯·诺伊曼体系结构CPU

图1.4　哈佛结构CPU

同样采用流水线，相对于冯·诺依曼体系结构，哈佛结构的指令效率更高。首先哈佛结构在当前指令译码的时候，可以进行下一条指令的取指；然后在执行下一条指令译码的同时，又开始了第三条指令的取指。这一过程，通过指令预取加快了原先5个步骤的流水线结构，提高了流水线的并行度。

实际上计算机体系结构发展至今，冯·诺依曼体系结构和哈佛结构的界限已经没有那么清晰了。如改进的哈佛结构，指令和数据还是一起存储在主存储器中，但CPU有额外的指令存储器和数据存储器，混合型CPU体系结构，如图1.5所示。在主存储器带宽足够的前提下，使CPU可以同时取指令和数据，所以可以认为混合型CPU体系结构对外是冯·诺依曼体系结构，对内是哈佛结构，即改进的哈佛结构。

图1.5　混合型CPU体系结构

由于本章仅在高层次上，对CPU架构设计带来的加速进行基础的描述，这部分就不再深入介绍了。本节继续探讨，如何可以让CPU流水线计算得更快。