嵌入式开发之CPU的分析

Jacktang · 发表于2018-10-11 21:22

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cpu是数字处理系统中的一个重要环节。在我看来，单片机、微处理器、dsp都可以称作是cpu，只是它们的侧重点有所不同罢了。具体来说，传统意义上的单片机更偏重于嵌入式的计算，比如说我们经常使用的51、avr、arm芯片中不仅仅含有了运算和控制功能，它还涵盖了定时器、串口、并口、usb、i2c总线等外部资源。dsp呢，cpu一般只是作为dsp的一个核存在，它通常还会包含另外一个核，专门用于数字信号的处理工作。而微处理器，也就是我们经常说的pc上的处理器，它的工作比较单一，专注于计算和控制功能的处理，因此一般来说在这方面的性能上面，单片机和dsp都是不能和它相比的，有了南桥芯片和北桥芯片的帮助，pc的微处理器就可以专注于自己的本职工作了，效率上面也会有一个很大的提高。

对于朋友们来说，生活中遇到的最多的cpu其实是x86的cpu。当然，如果有哪位朋友喜欢apple之类的玩具，也会知道一些arm的相关事情。剩下的就是一些专用领域的cpu了，比如说在通信行业用到的比较多的powerpc芯片，在高性能服务器用的到的sun sparc芯片，在科学计算领域使用到的mips芯片。所以，无论遇到什么芯片，对于应用层开发的朋友都是一样的，只是在一些小地方需要还有一些注意的地方。比如说，
（1）数据的对齐方式
（2）数据的字节序问题
（3）函数参数的压栈问题
（4）cpu的乱序执行问题
（5）cpu中cache和内存一致性的问题

当然，如果我们所要思考只是简单的应用层设计，考虑到这些内容本身已经实属不易了。然而，我们考虑的是如何设计嵌入式操作系统的问题，所以接下来还要看看一般cpu下面都包含了那些内容。这样，只要熟练掌握了一款cpu的设计和实现，对其他cpu的知识也会触类旁通了。

任何一款cpu，不管是完成的功能是什么样的，通常都会有这样一些基本设计：

（1）寄存器
堆栈寄存器
pc寄存器
状态寄存器
运算寄存器
寄存器是cpu内部的基本资源。不管cpu的代码执行到什么时候，这些资源都是共享的，所以在cpu发生中断、函数调用、线程切换的时候，都需要对这些寄存器进行保护，常用的基本措施就是把把它们保存到临时堆栈当中去。堆栈寄存器记录了当前堆栈使用到了什么地方，pc寄存器则记录当前代码跑到了什么地方，下一条指令在什么地方等。状态寄存器则保存了当前cpu的执行情况，包括计算有没有溢出、中断是关还是开、有没有o除数异常等等。至于运算寄存器就因cpu而异了，有的cpu寄存器比较少，比如说x86的寄存器；有的cpu寄存器就比较多，比如说powerpc。运算寄存器的用途很多，比如说数据访问、计算、移位、返回计算结果等等。

（2）指令集
寻址指令
数学运算指令
逻辑运算指令
软中断指令
跳转指令
远程调用指令
io访问指令
栈操作指令
指令集在某种程度上直接决定了某一种cpu的类型。就像intel和amd生产的cpu虽然有差别，但是它们的cpu使用的都是x86的指令集，而marwell、samsung和高通生产的cpu当然也不同，但是它们的指令集都是arm指令集。所以，如果软件在marwell上跑，一般来说也可以在Samsung上跑起来。指令集很复杂，内容很多。但是通常来说，上面这些内容都是cpu所必须要完成的几种指令。当然重中之重的还是中断和栈处理指令。

（3）中断、异常处理机制
不管是什么cpu，中断部分的内容都是少不了的。试想一想，如果一颗cpu只知道不停地运行，那么它的执行效率实际上是很低的。拥有了中断的cpu不仅使得cpu可以和更多的外设io打交道，还能极大地提高自身运行的效率。不同的cpu处理中断的方法其实都差不多，在整个cpu的地址空间里面，通常在低地址区域会有一张中断向量表，表中每一项记录了每一个中断对应的处理函数。所以，只要中断发生时，cpu就会首先将下一条pc地址压入堆栈，然后跳转到中断向量表中对应的中断地址处执行的相应的处理函数。这个过程是cpu自动完成的，不需要我们关心。这样对我们来说，它和cpu中的函数调用其实没有什么区别。等待中断处理结束后，我们使用ret指令返回到之前压入的那个ip地址处，继续下面的代码。整个过程就好像中断根本没有发生过一样。

所以，对于cpu的了解其实主要就是对寄存器、指令集和中断的了解。有了对中断和堆栈的深入理解，其实也就没有什么困难的了。在这里我们大家可以考虑一个问题，如何在Windows或者linux下仿真中断完成我们的操作系统开发呢？大家可以自己先思考一下，我们会在随后的博客中继续介绍。整篇文章，我们没有介绍编码的相关内容，其实只要把这里的基本概念弄清楚了，剩下来其实就是一些流程性的工作了。在软件开发中，设计其实是最难的，剩下的才是开发和调试。