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1. 8051與AndesCoreTM 本文將介紹使用8051與AndesCore?差異事項(xiàng)，并對兩種CPU系統(tǒng)相關(guān)事項(xiàng)做說明，后面再介紹從 8051移植到AndesCore ?上注意事項(xiàng)，舉中斷向量表及異常處理函數(shù)的例子說明差異及移植，最后簡要介紹AndesCore?在MCU應(yīng)用的三款CPU: N705,N801 和N968A。 2. 8051與AndesCore常見差異事項(xiàng) 2.1. 位寬的差異 位寬是指處理器一次執(zhí)行指令的數(shù)據(jù)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(shù)越寬，在數(shù)據(jù)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(shù)運(yùn)算，如加，減，乘，除等操作;數(shù)據(jù)傳送，如數(shù)據(jù)在寄存器，內(nèi)存間的傳送，賦值等;邏輯跳轉(zhuǎn)，如函數(shù)呼叫，無條件跳轉(zhuǎn)，條件跳轉(zhuǎn)，中斷返回等;在AndesCore ?中還有特權(quán)模式的指令部分，關(guān)于兩種指令集的具體差別，可以分別參考對應(yīng)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(nèi)存的空間映射，如其中的RAM或ROM地址，它們用于存放程序運(yùn)行時的代碼和數(shù)據(jù)，在AndesCore?上代碼在link 后，程序運(yùn)行的代碼和數(shù)據(jù)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(tǒng)中可用的內(nèi)存空間進(jìn)行分配設(shè)定。 另一個是外設(shè)所對應(yīng)的地址空間，可以通過查看SoC 對應(yīng)的手冊了解對應(yīng)的外設(shè)映射的空間范圍及相應(yīng)的使用方法。 2.4. 堆棧設(shè)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(shè)定)，它通常固定在片內(nèi)的RAM中，8051 內(nèi)存空間有限，非常小，程序中所使用的變量存放于特定的數(shù)據(jù)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(shè)置在任意合適的 RAM上。程序運(yùn)行時所有的局部變量都存放在堆棧中，只需要確保在設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(tǒng)上電或者是系統(tǒng)reset 后初始化時進(jìn)行設(shè)置。 2.5. 代碼和數(shù)據(jù)的存儲差異 在8051 系列單片機(jī)中，數(shù)據(jù)存儲區(qū)可以分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)以及外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)有幾個區(qū)別：data ，bdata，idata。 data : 片內(nèi)RAM直接尋址區(qū)。bdata: 片內(nèi)RAM位尋址區(qū)。idata: 片內(nèi) RAM間接尋址區(qū)。 外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)又有：xdata，pdata。 xdata 和pdata：是外部存儲區(qū)，有些芯片會帶有 XRAM 。 在有些開發(fā)工具中，如K eil，可以通過設(shè)置存儲模式來處理，存儲模式?jīng)Q定了默認(rèn)的存儲器類型, 此存儲器類型將應(yīng)用于函數(shù)參數(shù), 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(nèi) RAM(data 區(qū)間) COMPACT 所有的變量存放在外部存儲區(qū)(pdata 區(qū)間) LARGE 所有的變量存放在外部存儲區(qū)(xdata 區(qū)間) AndesCore?以內(nèi)存映射的方式，內(nèi)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(qū)間，這樣的設(shè)計(jì)更方便靈活，允許程序代碼和數(shù)據(jù)在可用的空間里自由放置。 有時候需要將某段代碼或者數(shù)據(jù)存放在指定的位置上，在8051 中，可以在代碼中使用"at" 關(guān)鍵字，但該關(guān)鍵字是 8051 中所特有的，會造成可移植性和維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)的語法格式，在 link 之后相應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)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(guān)的屬性設(shè)置。 2.6. 數(shù)據(jù)類型及對齊差異 8051和AndesCore ?是不同類型的CPU,它們所使用的數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的寬度也不同，如下表所示： 在鏈接完成后數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取時的效率。雖然AndesCore?是32bit的CPU， 在只需要8bit 和16bit的數(shù)據(jù)時能節(jié)省存儲空間，但在處理16bit 和32bit的數(shù)據(jù)上則有更高效。 在8051中有sbit 關(guān)鍵字用于設(shè)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(nèi)存地址0x80到0xFF處，如下表： sbit 是8051擴(kuò)展的變量類型，非標(biāo)準(zhǔn) C 語法，移植的時候需要將其修改成標(biāo)準(zhǔn)C 操作語法，另外在AndesCore?中，所有的寄存器都是單獨(dú)存在的，不會占用內(nèi)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(jié)組成，第一個字節(jié)用來指明對應(yīng)的內(nèi)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(shù)據(jù)，普通的寄存器就可以存放指針內(nèi)容，可以訪問到系統(tǒng)4G 范圍內(nèi)的空間(N705,N801地址空間只有 16M,N968A以上的 CPU地址空間可達(dá)4G)。 2.8. 函數(shù)聲明差異 在8051中由于堆棧空間有限，如果有函數(shù)是可重入的，需要在函數(shù)聲明的時候用關(guān)鍵字reentrant 做說明。8051 的中斷處理函數(shù)則需要使用關(guān)鍵字interrupt 聲明，中斷處理函數(shù)有時也需要用 using 關(guān)鍵字指明哪一寄存器組會被使用到。 在AndesCore?中，都采用標(biāo)準(zhǔn)的 C 語法，在聲明函數(shù)時并不需要這些附加的聲明。AndesCore?遵行底層的ABI 機(jī)制，編譯器處理底層的寄存器及堆棧相關(guān)機(jī)制。對于上層用戶來說是透明的。 3. 系統(tǒng)相關(guān)事項(xiàng)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(dāng)系統(tǒng)上電啟動時是在 superuser mode，或者當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到中斷或者異常時也進(jìn)入到superuser mode，當(dāng)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(jī)制就可以。 3.2. 系統(tǒng)的啟動 8051和AndesCore ?的系統(tǒng)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(dāng)系統(tǒng)上電或者是reset 后，經(jīng)過該向量會跳轉(zhuǎn)到一個啟動函數(shù)中，該啟動函數(shù)會完成系統(tǒng)啟動所必要的步驟，比如設(shè)置CPU，初始化SoC ，清理內(nèi)存，初始化 C 運(yùn)行環(huán)境等, 最后完成所有的準(zhǔn)備后跳轉(zhuǎn)到 main函數(shù)。 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(zhuǎn)，會跳到真正的中斷處理函數(shù)，8051只能設(shè)置成兩級的中斷優(yōu)先級。 AndesCore?包含了9 個內(nèi)部異常，中斷向量號對應(yīng)于從 0 到8, 9 之后對應(yīng)于外部中斷，在Internal VIC (IVIC )mode時可支持32個外部中斷， 當(dāng)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(shí)現(xiàn)中斷處理函數(shù) 可以用匯編實(shí)現(xiàn)8051 的中斷處理函數(shù)，也可以用C 來實(shí)現(xiàn)，在8051中C 實(shí)現(xiàn)的中斷處理函數(shù)會有一個"interrupt" 的關(guān)鍵字，如果有寄存器 bank被使用到，還要加上"using"關(guān)鍵字。如果要將中斷處理函數(shù)固定在特定位置還需要使用"at" 關(guān)鍵字，而 AndesCore?使用的是標(biāo)準(zhǔn)的 C 語法，不需要為中斷處理函數(shù)做這些設(shè)置。 2. 中斷向量表的產(chǎn)生 8051 中斷向量表擺放在 0 開始的位置，在AndesCore?中硬件可以設(shè)定啟動地址，通常設(shè)為 0 地址，也可以是非 0 地址，中斷向量表存放在對應(yīng)系統(tǒng)啟動地址處。在程序編寫過程中可以通過標(biāo)準(zhǔn)的gnu 語法再加上link script 的sag 工具，以使產(chǎn)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(shè)置 1. IE 寄存器中Individual Interrupt Enable 位設(shè)1 2. IE 寄存器中EA(Enable All)位設(shè)1 3. 當(dāng)是外部中斷時，配置相關(guān)的pin 為輸入，并設(shè)置對應(yīng)的觸發(fā)屬性為edge或level 觸發(fā)。 而在AndesCore?中需要做以下設(shè)置： 1 .設(shè)置CPU IVIC 或者 EVIC mode 2 .設(shè)置INT_MASK位 3 .設(shè)置中斷的優(yōu)先級 4. 關(guān)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(shù)，在AndesCore?中有一些系統(tǒng)的exception 中斷向量，比如Machine Error,GeneralException, 建議在AndesCore ?上實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的處理函數(shù), 當(dāng)發(fā)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(dá)到類似目的。 3.5. 電源管理 8051 單片機(jī)中有兩種省電方式，分別是空閑方式和掉電模式, 單片機(jī)處于空閑工作方式時，CPU處于睡眠狀態(tài)，它的片內(nèi)其它部件還是會繼續(xù)工作，片內(nèi)RAM的內(nèi)容和所有專用寄存器的內(nèi)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(fù)位來終止空閑工作方式。單片機(jī)處于掉電工作方式時，片內(nèi)的振蕩器停止了工作，因此它的一切都被迫停止了。但片內(nèi) RAM的內(nèi)容和專用寄存器的內(nèi)容一直保持到掉電方式結(jié)束為止。掉電方式的喚醒方式只有一種，就是硬件復(fù)位。 在AndesCore?上，可以通過軟件standby 指令使CPU進(jìn)入到低功耗模式，通常標(biāo)準(zhǔn)c 代碼并不能直接控制硬件，Andes 的compiler 提供了intrinsic 函數(shù)來做到這點(diǎn)。分別是：__nds32_standby_no_wake_grant(), __nds32_standby_wake_grant(),__nds32_standby_wait_done().指定系統(tǒng)進(jìn)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(jù)系統(tǒng)需要分別設(shè)計(jì)。 4. 從8051移植到AndesCore上注意事項(xiàng) 一個8051工程，當(dāng)移植到AndesCore?上時有以下注意事項(xiàng)： 1. 內(nèi)存映射，代碼和數(shù)據(jù)擺放位置相關(guān)的設(shè)置。 2. 可以不必考慮變量數(shù)目，或者是函數(shù)的overlay, 因?yàn)樵?2bit 的AndesCore?上開發(fā)時內(nèi)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(shù)據(jù)類型，這樣效率會更高。 4. 在8051上用于表示內(nèi)存區(qū)域?qū)傩缘臉?biāo)志如(idata, xdata, bdata, pdata 等)在AndesCore?上可以移除。 5. 在8051上不需要設(shè)置內(nèi)存區(qū)塊模式，比如：small, compact, large 等。 6. 在8051 上用于表示對像遠(yuǎn)近的屬性"near" 和"far",都可以移除，AndesCore?上的指針的訪問可以達(dá)到所有地址空間。 7. 在中斷處理函數(shù)中不需要像8051那樣指定哪塊寄存器塊會被用到的關(guān)鍵字"using"。 8. 在8051上中斷處理函數(shù)就和普通的函數(shù)一樣，中不需要設(shè)置其它的關(guān)鍵字，如interrupt 。 9. 如果有8051匯編部分移植到 AndesCore?，需要重新實(shí)現(xiàn)，盡可能的用c 來實(shí)現(xiàn)，便于維護(hù)和調(diào)試。 10. 在8051中使用到的#progma 相關(guān)部分需要刪除。 11. 在AndesCore?中函數(shù)不需要聲明為"reentrant" 屬性。 12. 如果使用了數(shù)學(xué)運(yùn)算，在8051中默認(rèn)是使用32bit單精度浮點(diǎn)，如果要 保持和8051 中相同的精度，需要將函數(shù)名做一些調(diào)整，如將 sin() 改成sinf()。 5. 中斷向量及異常處理函數(shù)例子 以中斷向量及中斷處理函數(shù)的例子說明差異及移植。 5.1. 匯編實(shí)現(xiàn)中段向量表 [8051] 該例子顯示怎樣用匯編設(shè)置8051的中斷向量和中斷處理函數(shù)，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(zhuǎn)語句。如下例第一個向量跳到主函數(shù)MAIN函數(shù)中，另外一個外部中斷1, 也是一個跳轉(zhuǎn)指令：LJMP INT 到后面的用匯編實(shí)現(xiàn)的中斷處理函數(shù) INT 中。 [ AndesCore?] 該例子顯示怎樣用匯編設(shè)置AndesCore?的中斷向量表和中斷處理函數(shù), 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(zhuǎn)指令，跳到具體的執(zhí)行實(shí)體中去，如vector 0 跳到_start, 做系統(tǒng)相關(guān)的初始化操作，_start 是系統(tǒng)啟動代碼，用匯編語言來實(shí)現(xiàn)。vector 9 后面對應(yīng)的是外部中斷，中斷處理函數(shù)如OS_Trap_Interrupt_HW0，OS_Trap_Interrupt_HW1… 它通常用C 來實(shí)現(xiàn)，可以參考后面5.2 章節(jié)的AndesCore?中斷處理函數(shù)范例。 在上面用匯編設(shè)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(shè)定在0 地址處，可以通過 section語法配合sag 工具實(shí)現(xiàn)，例子中我們設(shè)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(zhuǎn)ld 的工具，可以產(chǎn)生類似以下的ld ，在工程進(jìn)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(guān)于詳細(xì)的SAG使用，可以參考我們的另一篇文章：《Andes 的分散聚合(SAG)機(jī)制》 5.2. 中斷處理函數(shù)的C 實(shí)現(xiàn) 6. 適用于MCU的Andes CPUs Andes 有三款非常適用于 MCU應(yīng)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(dāng)應(yīng)用需要的頻率較低時，使用兩級流水線的N705能發(fā)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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)大的可配置特性，適合于多種應(yīng)用。 |
