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1. 8051與AndesCoreTM 本文將介紹使用8051與AndesCore?差異事項，并對兩種CPU系統相關事項做說明，后面再介紹從 8051移植到AndesCore ?上注意事項，舉中斷向量表及異常處理函數的例子說明差異及移植，最后簡要介紹AndesCore?在MCU應用的三款CPU: N705,N801 和N968A。 2. 8051與AndesCore常見差異事項 2.1. 位寬的差異 位寬是指處理器一次執行指令的數據帶寬。8051 是8 位寬的處理器， 而AndesCore?是32位寬的處理器，支持32位與 16位的混合指令集，位數越寬，在數據的處理方面就更有效率。 2.2. 指令差異 8051 匯編語言共有111 條指令集，AndeStar?的V3m指令集有 157 條，AndeStar?的V3指令集有 200 多條，兩種 CPU的指令集大概可以分為以下幾類：算術運算，如加，減，乘，除等操作;數據傳送，如數據在寄存器，內存間的傳送，賦值等;邏輯跳轉，如函數呼叫，無條件跳轉，條件跳轉，中斷返回等;在AndesCore ?中還有特權模式的指令部分，關于兩種指令集的具體差別，可以分別參考對應的指令集介紹文檔。 2.3. 地址空間映射差異 AndesCore?使用memory map 方式映射地址空間，主要有兩種，內存的空間映射，如其中的RAM或ROM地址，它們用于存放程序運行時的代碼和數據，在AndesCore?上代碼在link 后，程序運行的代碼和數據地址會最終確定，Andes 提供了一個簡便的 link script 工具sag ，可以很方便的對系統中可用的內存空間進行分配設定。 另一個是外設所對應的地址空間，可以通過查看SoC 對應的手冊了解對應的外設映射的空間范圍及相應的使用方法。 2.4. 堆棧設置差異 8051的堆棧的起始位置是固定的(部分衍生 8051可以做程序設定)，它通常固定在片內的RAM中，8051 內存空間有限，非常小，程序中所使用的變量存放于特定的數據空間中，并不會放在堆棧空間，所以在 8051中所需要的堆棧空間很小。而對于 And esCore?來說，堆棧可以設置在任意合適的 RAM上。程序運行時所有的局部變量都存放在堆棧中，只需要確保在設計系統的時候有足夠的堆棧空間。在 AndesCore?中有$ sp寄存器表示棧頂位置，這需要在系統上電或者是系統reset 后初始化時進行設置。 2.5. 代碼和數據的存儲差異 在8051 系列單片機中，數據存儲區可以分為內部數據存儲區以及外部數據存儲區。 內部數據存儲區有幾個區別：data ，bdata，idata。 data : 片內RAM直接尋址區。bdata: 片內RAM位尋址區。idata: 片內 RAM間接尋址區。 外部數據存儲區又有：xdata，pdata。 xdata 和pdata：是外部存儲區，有些芯片會帶有 XRAM 。 在有些開發工具中，如K eil，可以通過設置存儲模式來處理，存儲模式決定了默認的存儲器類型, 此存儲器類型將應用于函數參數, 局部變量和定義時未包含存儲器類型的變量。 SMALL 所有的變量存放在片內 RAM(data 區間) COMPACT 所有的變量存放在外部存儲區(pdata 區間) LARGE 所有的變量存放在外部存儲區(xdata 區間) AndesCore?以內存映射的方式，內存空間不會有特別的限制，就是說不會像8051那樣需放在某處區間，這樣的設計更方便靈活，允許程序代碼和數據在可用的空間里自由放置。 有時候需要將某段代碼或者數據存放在指定的位置上，在8051 中，可以在代碼中使用"at" 關鍵字，但該關鍵字是 8051 中所特有的，會造成可移植性和維護的問題，在 AndesCore?上，提供了一種簡便的 link script 工具，如上所提到的sag 工具，在 C 代碼中使用GNU標準的語法格式，在 link 之后相應的代碼和數據將存放于指定的位置，這樣可以避免在代碼中使用"at" 該平臺相關的屬性設置。 2.6. 數據類型及對齊差異 8051和AndesCore ?是不同類型的CPU,它們所使用的數據類型所對應的寬度也不同，如下表所示： 在鏈接完成后數據通常都會按照本身的屬性對齊，比如int 類型則會4 bytes對齊，short則會2 bytes對齊。這樣的存放方式可以提高 CPU對數據讀取時的效率。雖然AndesCore?是32bit的CPU， 在只需要8bit 和16bit的數據時能節省存儲空間，但在處理16bit 和32bit的數據上則有更高效。 在8051中有sbit 關鍵字用于設置對特殊功能寄存器 SFR的直接訪問，8051的特殊功能寄存器分布在內存地址0x80到0xFF處，如下表： sbit 是8051擴展的變量類型，非標準 C 語法，移植的時候需要將其修改成標準C 操作語法，另外在AndesCore?中，所有的寄存器都是單獨存在的，不會占用內存的空間。 2.7. 指針使用差異 8051中兩種類型的指針，分別是存儲器指針和通用指針，通用指針由3 個字節組成，第一個字節用來指明對應的內存類型，所以這種類型的指針類型占用空間更大也更慢，存儲器指針只能用來訪問指定類型的存儲器空間。 而在AndesCore?上指針不會有這方面的限制，它是一個 32bit的數據，普通的寄存器就可以存放指針內容，可以訪問到系統4G 范圍內的空間(N705,N801地址空間只有 16M,N968A以上的 CPU地址空間可達4G)。 2.8. 函數聲明差異 在8051中由于堆棧空間有限，如果有函數是可重入的，需要在函數聲明的時候用關鍵字reentrant 做說明。8051 的中斷處理函數則需要使用關鍵字interrupt 聲明，中斷處理函數有時也需要用 using 關鍵字指明哪一寄存器組會被使用到。 在AndesCore?中，都采用標準的 C 語法，在聲明函數時并不需要這些附加的聲明。AndesCore?遵行底層的ABI 機制，編譯器處理底層的寄存器及堆棧相關機制。對于上層用戶來說是透明的。 3. 系統相關事項說明 3.1. 操作模式 8051只有一種mode，AndesCore?有兩種mode，分別是 superuser mode和user mode ，當系統上電啟動時是在 superuser mode，或者當系統進入到中斷或者異常時也進入到superuser mode，當從中斷或者是異常返回后，會返回到user mode 。由于8051沒有mode切換的問題，所以在移植的時候只需要理解AndesCore?在mode方面的機制就可以。 3.2. 系統的啟動 8051和AndesCore ?的系統啟動過程類似，通常在0 地址存放中斷向量表，第一個向量表是reset，當系統上電或者是reset 后，經過該向量會跳轉到一個啟動函數中，該啟動函數會完成系統啟動所必要的步驟，比如設置CPU，初始化SoC ，清理內存，初始化 C 運行環境等, 最后完成所有的準備后跳轉到 main函數。 3.3. 中斷處理 8051有5 個中斷源，通常中斷向量表只是一個跳轉，會跳到真正的中斷處理函數，8051只能設置成兩級的中斷優先級。 AndesCore?包含了9 個內部異常，中斷向量號對應于從 0 到8, 9 之后對應于外部中斷，在Internal VIC (IVIC )mode時可支持32個外部中斷， 當External VIC(EVIC) mode時由外部中斷控制器決定, 最多有64個。 中斷的處理由以下幾部分組成： 1. 實現中斷處理函數 可以用匯編實現8051 的中斷處理函數，也可以用C 來實現，在8051中C 實現的中斷處理函數會有一個"interrupt" 的關鍵字，如果有寄存器 bank被使用到，還要加上"using"關鍵字。如果要將中斷處理函數固定在特定位置還需要使用"at" 關鍵字，而 AndesCore?使用的是標準的 C 語法，不需要為中斷處理函數做這些設置。 2. 中斷向量表的產生 8051 中斷向量表擺放在 0 開始的位置，在AndesCore?中硬件可以設定啟動地址，通常設為 0 地址，也可以是非 0 地址，中斷向量表存放在對應系統啟動地址處。在程序編寫過程中可以通過標準的gnu 語法再加上link script 的sag 工具，以使產生的中斷向量表在鏈接的時候存放于特定的位置。 3. 中斷配置 在8051中，需要做以下設置 1. IE 寄存器中Individual Interrupt Enable 位設1 2. IE 寄存器中EA(Enable All)位設1 3. 當是外部中斷時，配置相關的pin 為輸入，并設置對應的觸發屬性為edge或level 觸發。 而在AndesCore?中需要做以下設置： 1 .設置CPU IVIC 或者 EVIC mode 2 .設置INT_MASK位 3 .設置中斷的優先級 4. 關于異常處理差異 在8051中沒有異常處理向量，所以在8051中并沒有這部分的處理函數，在AndesCore?中有一些系統的exception 中斷向量，比如Machine Error,GeneralException, 建議在AndesCore ?上實現對應的處理函數, 當發生這類異常時做一些基本的處理。 3.4. 時序和延遲 在8051中可以采用NOP指令來延遲，在 AndesCore?中也有NOP指令來達到類似目的。 3.5. 電源管理 8051 單片機中有兩種省電方式，分別是空閑方式和掉電模式, 單片機處于空閑工作方式時，CPU處于睡眠狀態，它的片內其它部件還是會繼續工作，片內RAM的內容和所有專用寄存器的內容在空閑方式期間都被保存下來了, 可以通過中斷或者硬件復位來終止空閑工作方式。單片機處于掉電工作方式時，片內的振蕩器停止了工作，因此它的一切都被迫停止了。但片內 RAM的內容和專用寄存器的內容一直保持到掉電方式結束為止。掉電方式的喚醒方式只有一種，就是硬件復位。 在AndesCore?上，可以通過軟件standby 指令使CPU進入到低功耗模式，通常標準c 代碼并不能直接控制硬件，Andes 的compiler 提供了intrinsic 函數來做到這點。分別是：__nds32_standby_no_wake_grant(), __nds32_standby_wake_grant(),__nds32_standby_wait_done().指定系統進入低功耗模式時被喚醒的方式，分別是外部中斷中斷喚醒，電源管理模塊喚醒，和中斷配合電源管理模塊喚醒，可以根據系統需要分別設計。 4. 從8051移植到AndesCore上注意事項 一個8051工程，當移植到AndesCore?上時有以下注意事項： 1. 內存映射，代碼和數據擺放位置相關的設置。 2. 可以不必考慮變量數目，或者是函數的overlay, 因為在32bit 的AndesCore?上開發時內存空間通常不會像 8051那樣小。 3. 如果空間允許，在 AndesCore?上盡量使用32bit的數據類型，這樣效率會更高。 4. 在8051上用于表示內存區域屬性的標志如(idata, xdata, bdata, pdata 等)在AndesCore?上可以移除。 5. 在8051上不需要設置內存區塊模式，比如：small, compact, large 等。 6. 在8051 上用于表示對像遠近的屬性"near" 和"far",都可以移除，AndesCore?上的指針的訪問可以達到所有地址空間。 7. 在中斷處理函數中不需要像8051那樣指定哪塊寄存器塊會被用到的關鍵字"using"。 8. 在8051上中斷處理函數就和普通的函數一樣，中不需要設置其它的關鍵字，如interrupt 。 9. 如果有8051匯編部分移植到 AndesCore?，需要重新實現，盡可能的用c 來實現，便于維護和調試。 10. 在8051中使用到的#progma 相關部分需要刪除。 11. 在AndesCore?中函數不需要聲明為"reentrant" 屬性。 12. 如果使用了數學運算，在8051中默認是使用32bit單精度浮點，如果要 保持和8051 中相同的精度，需要將函數名做一些調整，如將 sin() 改成sinf()。 5. 中斷向量及異常處理函數例子 以中斷向量及中斷處理函數的例子說明差異及移植。 5.1. 匯編實現中段向量表 [8051] 該例子顯示怎樣用匯編設置8051的中斷向量和中斷處理函數，在8051匯編中ORG指定了后面匯編代碼的位置，后面的中斷向量通常是一個跳轉語句。如下例第一個向量跳到主函數MAIN函數中，另外一個外部中斷1, 也是一個跳轉指令：LJMP INT 到后面的用匯編實現的中斷處理函數 INT 中。 [ AndesCore?] 該例子顯示怎樣用匯編設置AndesCore?的中斷向量表和中斷處理函數, 該例子中exception_vector 是中斷向量表的label, 后面分別表示第0,1,2,3…個中斷向量，它們只是簡單的跳轉指令，跳到具體的執行實體中去，如vector 0 跳到_start, 做系統相關的初始化操作，_start 是系統啟動代碼，用匯編語言來實現。vector 9 后面對應的是外部中斷，中斷處理函數如OS_Trap_Interrupt_HW0，OS_Trap_Interrupt_HW1… 它通常用C 來實現，可以參考后面5.2 章節的AndesCore?中斷處理函數范例。 在上面用匯編設置AndesCore?的中斷向量表的例子中，我們需要將中斷向量表最終設定在0 地址處，可以通過 section語法配合sag 工具實現，例子中我們設定該段的 section 名為.vector, 所以在sag 中，我們自定義一個 USER_SECTION 為.vector，并 將.vector放在0 開始的地方并作為第一個 section。 通過上面的sag 語法，并使用andes 提供的sag 轉ld 的工具，可以產生類似以下的ld ，在工程進行鏈接的時候選擇該 ld 時就能確保 .vector鏈接的地址位于0 處。 關于詳細的SAG使用，可以參考我們的另一篇文章：《Andes 的分散聚合(SAG)機制》 5.2. 中斷處理函數的C 實現 6. 適用于MCU的Andes CPUs Andes 有三款非常適用于 MCU應用的CPU,分別是：N705,N801,N968A,如下圖所列： N705和N801分別采用了兩級和三級流水線，都具有很低的功耗和很好的性能，當應用需要的頻率較低時，使用兩級流水線的N705能發揮出更好的性能和更低功耗的特性，相比于8051，兩級流水線的 N705 在頻率方面高出許多，比如在TSMC 40nm LP 工藝下能跑到超過240MHz ，所以完全能勝任8051的應用需求。N968A使用了五級的流水線，同樣有低功耗的特性和很好的性能，同時該款CPU具有很強的可配置性，如支持多種總線接口，還支持了專門為audio的加速指令，N968A是一個多面手，性能好，功耗低，又具備強大的可配置特性，適合于多種應用。 |
