嵌入式“老司機”：CPU就那點(diǎn)事兒...

　　CPU是數字處理系統中的一個(gè)重要環(huán)節。在我看來(lái)，單片機、微處理器、dsp都可以稱(chēng)作是CPU，只是它們的側重點(diǎn)有所不同罷了。具體來(lái)說(shuō)，傳統意義上的單片機更偏重于嵌入式的計算，比如說(shuō)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(shí)器、串口、并口、usb、i2c總線(xiàn)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(zhuān)門(mén)用于數字信號的處理工作。而微處理器，也就是我們經(jīng)常說(shuō)的pc上的處理器，它的工作比較單一，專(zhuān)注于計算和控制功能的處理，因此一般來(lái)說(shuō)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(zhuān)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。

　　對于朋友們來(lái)說(shuō)，生活中遇到的最多的CPU其實(shí)是x86的CPU。當然，如果有哪位朋友喜歡apple之類(lèi)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(zhuān)用領(lǐng)域的CPU了，比如說(shuō)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)計算領(lǐng)域使用到的mips芯片。所以，無(wú)論遇到什么芯片，對于應用層開(kāi)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(shuō)，

　　(1)數據的對齊方式

　　(2)數據的字節序問(wèn)題

　　(3)函數參數的壓棧問(wèn)題

　　(4)CPU的亂序執行問(wèn)題

　　(5)CPU中cache和內存一致性的問(wèn)題

　　當然，如果我們所要思考只是簡(jiǎn)單的應用層設計，考慮到這些內容本身已經(jīng)實(shí)屬不易了。然而，我們考慮的是如何設計嵌入式操作系統的問(wèn)題，所以接下來(lái)還要看看一般CPU下面都包含了那些內容。這樣，只要熟練掌握了一款CPU的設計和實(shí)現，對其他CPU的知識也會(huì )觸類(lèi)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內部的基本資源。不管CPU的代碼執行到什么時(shí)候，這些資源都是共享的，所以在CPU發(fā)生中斷、函數調用、線(xiàn)程切換的時(shí)候，都需要對這些寄存器進(jìn)行保護，常用的基本措施就是把把它們保存到臨時(shí)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的執行情況，包括計算有沒(méi)有溢出、中斷是關(guān)還是開(kāi)、有沒(méi)有o除數異常等等。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(shuō)x86的寄存器;有的CPU寄存器就比較多，比如說(shuō)powerpc。運算寄存器的用途很多，比如說(shuō)數據訪(fǎng)問(wèn)、計算、移位、返回計算結果等等。

　　(2)指令集

　　尋址指令

　　數學(xué)運算指令

　　邏輯運算指令

　　軟中斷指令

　　跳轉指令

　　遠程調用指令

　　io訪(fǎng)問(wèn)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(lèi)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(lái)說(shuō)也可以在Samsung上跑起來(lái)。指令集很復雜，內容很多。但是通常來(lái)說(shuō)，上面這些內容都是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(shí)都差不多，在整個(gè)CPU的地址空間里面，通常在低地址區域會(huì )有一張中斷向量表，表中每一項記錄了每一個(gè)中斷對應的處理函數。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，然后跳轉到中斷向量表中對應的中斷地址處執行的相應的處理函數。這個(gè)過(guò)程是CPU自動(dòng)完成的，不需要我們關(guān)心。這樣對我們來(lái)說(shuō)，它和CPU中的函數調用其實(shí)沒(méi)有什么區別。等待中斷處理結束后，我們使用ret指令返回到之前壓入的那個(gè)ip地址處，繼續下面的代碼。整個(gè)過(guò)程就好像中斷根本沒(méi)有發(fā)生過(guò)一樣。

　　所以，對于CPU的了解其實(shí)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(shí)也就沒(méi)有什么困難的了。在這里我們大家可以考慮一個(gè)問(wèn)題，如何在Windows或者linux下仿真中斷完成我們的操作系統開(kāi)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介紹。整篇文章，我們沒(méi)有介紹編碼的相關(guān)內容，其實(shí)只要把這里的基本概念弄清楚了，剩下來(lái)其實(shí)就是一些流程性的工作了。在軟件開(kāi)發(fā)中，設計其實(shí)是最難的，剩下的才是開(kāi)發(fā)和調試。