嵌入式開發(fā)之CPU的那些事...

xyd2018

      cpu是數(shù)字處理系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在我看來，單片機(jī)、微處理器、dsp都可以稱作是cpu，只是它們的側(cè)重點(diǎn)有所不同罷了。具體來說，傳統(tǒng)意義上的單片機(jī)更偏重于嵌入式的計(jì)算，比如說我們經(jīng)常使用的51、avr、arm芯片中不僅僅含有了運(yùn)算和控制功能，它還涵蓋了定時(shí)器、串口、并口、usb、i2c總線等外部資源。dsp呢，cpu一般只是作為dsp的一個(gè)核存在，它通常還會(huì)包含另外一個(gè)核，專門用于數(shù)字信號(hào)的處理工作。而微處理器，也就是我們經(jīng)常說的pc上的處理器，它的工作比較單一，專注于計(jì)算和控制功能的處理，因此一般來說在這方面的性能上面，單片機(jī)和dsp都是不能和它相比的，有了南橋芯片和北橋芯片的幫助，pc的微處理器就可以專注于自己的本職工作了，效率上面也會(huì)有一個(gè)很大的提高。

對(duì)于朋友們來說，生活中遇到的最多的cpu其實(shí)是x86的cpu。當(dāng)然，如果有哪位朋友喜歡apple之類的玩具，也會(huì)知道一些arm的相關(guān)事情。剩下的就是一些專用領(lǐng)域的cpu了，比如說在通信行業(yè)用到的比較多的powerpc芯片，在高性能服務(wù)器用的到的sun sparc芯片，在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域使用到的mips芯片。所以，無論遇到什么芯片，對(duì)于應(yīng)用層開發(fā)的朋友都是一樣的，只是在一些小地方需要還有一些注意的地方。比如說，
（1）數(shù)據(jù)的對(duì)齊方式
（2）數(shù)據(jù)的字節(jié)序問題
（3）函數(shù)參數(shù)的壓棧問題
（4）cpu的亂序執(zhí)行問題
（5）cpu中cache和內(nèi)存一致性的問題

當(dāng)然，如果我們所要思考只是簡(jiǎn)單的應(yīng)用層設(shè)計(jì)，考慮到這些內(nèi)容本身已經(jīng)實(shí)屬不易了。然而，我們考慮的是如何設(shè)計(jì)嵌入式操作系統(tǒng)的問題，所以接下來還要看看一般cpu下面都包含了那些內(nèi)容。這樣，只要熟練掌握了一款cpu的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，對(duì)其他cpu的知識(shí)也會(huì)觸類旁通了。

任何一款cpu，不管是完成的功能是什么樣的，通常都會(huì)有這樣一些基本設(shè)計(jì)：

（1）寄存器
    堆棧寄存器   
    pc寄存器
    狀態(tài)寄存器
    運(yùn)算寄存器
    寄存器是cpu內(nèi)部的基本資源。不管cpu的代碼執(zhí)行到什么時(shí)候，這些資源都是共享的，所以在cpu發(fā)生中斷、函數(shù)調(diào)用、線程切換的時(shí)候，都需要對(duì)這些寄存器進(jìn)行保護(hù)，常用的基本措施就是把把它們保存到臨時(shí)堆棧當(dāng)中去。堆棧寄存器記錄了當(dāng)前堆棧使用到了什么地方，pc寄存器則記錄當(dāng)前代碼跑到了什么地方，下一條指令在什么地方等。狀態(tài)寄存器則保存了當(dāng)前cpu的執(zhí)行情況，包括計(jì)算有沒有溢出、中斷是關(guān)還是開、有沒有o除數(shù)異常等等。至于運(yùn)算寄存器就因cpu而異了，有的cpu寄存器比較少，比如說x86的寄存器；有的cpu寄存器就比較多，比如說powerpc。運(yùn)算寄存器的用途很多，比如說數(shù)據(jù)訪問、計(jì)算、移位、返回計(jì)算結(jié)果等等。

（2）指令集
    尋址指令
    數(shù)學(xué)運(yùn)算指令
    邏輯運(yùn)算指令
    軟中斷指令
    跳轉(zhuǎn)指令
    遠(yuǎn)程調(diào)用指令
    io訪問指令
    棧操作指令
指令集在某種程度上直接決定了某一種cpu的類型。就像intel和amd生產(chǎn)的cpu雖然有差別，但是它們的cpu使用的都是x86的指令集，而marwell、samsung和高通生產(chǎn)的cpu當(dāng)然也不同，但是它們的指令集都是arm指令集。所以，如果軟件在marwell上跑，一般來說也可以在Samsung上跑起來。指令集很復(fù)雜，內(nèi)容很多。但是通常來說，上面這些內(nèi)容都是cpu所必須要完成的幾種指令。當(dāng)然重中之重的還是中斷和棧處理指令。

（3）中斷、異常處理機(jī)制
不管是什么cpu，中斷部分的內(nèi)容都是少不了的。試想一想，如果一顆cpu只知道不停地運(yùn)行，那么它的執(zhí)行效率實(shí)際上是很低的。擁有了中斷的cpu不僅使得cpu可以和更多的外設(shè)io打交道，還能極大地提高自身運(yùn)行的效率。不同的cpu處理中斷的方法其實(shí)都差不多，在整個(gè)cpu的地址空間里面，通常在低地址區(qū)域會(huì)有一張中斷向量表，表中每一項(xiàng)記錄了每一個(gè)中斷對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)。所以，只要中斷發(fā)生時(shí)，cpu就會(huì)首先將下一條pc地址壓入堆棧，然后跳轉(zhuǎn)到中斷向量表中對(duì)應(yīng)的中斷地址處執(zhí)行的相應(yīng)的處理函數(shù)。這個(gè)過程是cpu自動(dòng)完成的，不需要我們關(guān)心。這樣對(duì)我們來說，它和cpu中的函數(shù)調(diào)用其實(shí)沒有什么區(qū)別。等待中斷處理結(jié)束后，我們使用ret指令返回到之前壓入的那個(gè)ip地址處，繼續(xù)下面的代碼。整個(gè)過程就好像中斷根本沒有發(fā)生過一樣。

所以，對(duì)于cpu的了解其實(shí)主要就是對(duì)寄存器、指令集和中斷的了解。有了對(duì)中斷和堆棧的深入理解，其實(shí)也就沒有什么困難的了。在這里我們大家可以考慮一個(gè)問題，如何在Windows或者linux下仿真中斷完成我們的操作系統(tǒng)開發(fā)呢？大家可以自己先思考一下，我們會(huì)在隨后的博客中繼續(xù)介紹。整篇文章，我們沒有介紹編碼的相關(guān)內(nèi)容，其實(shí)只要把這里的基本概念弄清楚了，剩下來其實(shí)就是一些流程性的工作了。在軟件開發(fā)中，設(shè)計(jì)其實(shí)是最難的，剩下的才是開發(fā)和調(diào)試。

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