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嵌入式“老司機”:CPU就那點事兒...

作者: 時間:2018-04-08 來源:網(wǎng)絡 收藏

  是數(shù)字處理系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。在我看來,單片機、微處理器、dsp都可以稱作是,只是它們的側(cè)重點有所不同罷了。具體來說,傳統(tǒng)意義上的單片機更偏重于的計算,比如說我們經(jīng)常使用的51、avr、arm芯片中不僅僅含有了運算和控制功能,它還涵蓋了定時器、串口、并口、usb、i2c總線等外部資源。dsp呢,一般只是作為dsp的一個核存在,它通常還會包含另外一個核,專門用于數(shù)字信號的處理工作。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,效率上面也會有一個很大的提高。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201804/377984.htm

  對于朋友們來說,生活中遇到的最多的CPU其實是x86的CPU。當然,如果有哪位朋友喜歡apple之類的玩具,也會知道一些arm的相關事情。剩下的就是一些專用領域的CPU了,比如說在通信行業(yè)用到的比較多的powerpc芯片,在高性能服務器用的到的sun sparc芯片,在科學計算領域使用到的mips芯片。所以,無論遇到什么芯片,對于應用層開發(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

  當然,如果我們所要思考只是簡單的應用層設計,考慮到這些內(nèi)容本身已經(jīng)實屬不易了。然而,我們考慮的是如何設計操作系統(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的設計和實現(xiàn),對其他CPU的知識也會觸類旁通了。

  任何一款CPU,不管是完成的功能是什么樣的,通常都會有這樣一些基本設計:

  (1)寄存器

  堆棧寄存器

  pc寄存器

  狀態(tài)寄存器

  運算寄存器

  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、線程切換的時候,都需要對這些寄存器進行保護,常用的基本措施就是把把它們保存到臨時堆棧當中去。堆棧寄存器記錄了當前堆棧使用到了什么地方,pc寄存器則記錄當前代碼跑到了什么地方,下一條指令在什么地方等。狀態(tài)寄存器則保存了當前CPU的執(zhí)行情況,包括計算有沒有溢出、中斷是關還是開、有沒有o除數(shù)異常等等。至于運算寄存器就因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。運算寄存器的用途很多,比如說數(shù)據(jù)訪問、計算、移位、返回計算結(jié)果等等。

  (2)指令集

  尋址指令

  數(shù)學運算指令

  邏輯運算指令

  軟中斷指令

  跳轉(zhuǎn)指令

  遠程調(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。當然重中之重的還是中斷和棧處理指令。

  (3)中斷、異常處理機制

  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只知道不停地運行,那么它的執(zhí)行效率實際上是很低的。擁有了中斷的CPU不僅使得CPU可以和更多的外設io打交道,還能極大地提高自身運行的效率。不同的CPU處理中斷的方法其實都差不多,在整個CPU的地址空間里面,通常在低地址區(qū)域會有一張中斷向量表,表中每一項記錄了每一個中斷對應的處理函數(shù)。所以,只要中斷發(fā)生時,CPU就會首先將下一條pc地址壓入堆棧,然后跳轉(zhuǎn)到中斷向量表中對應的中斷地址處執(zhí)行的相應的處理函數(shù)。這個過程是CPU自動完成的,不需要我們關心。這樣對我們來說,它和CPU中的函數(shù)調(diào)用其實沒有什么區(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ip地址處,繼續(xù)下面的代碼。整個過程就好像中斷根本沒有發(fā)生過一樣。

  所以,對于CPU的了解其實主要就是對寄存器、指令集和中斷的了解。有了對中斷和堆棧的深入理解,其實也就沒有什么困難的了。在這里我們大家可以考慮一個問題,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內(nèi)容,其實只要把這里的基本概念弄清楚了,剩下來其實就是一些流程性的工作了。在軟件開發(fā)中,設計其實是最難的,剩下的才是開發(fā)和調(diào)試。



關鍵詞: CPU 嵌入式

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