看穿單片機(jī)第一節(jié)：CPU 模型

經(jīng)歷了十多年的單片機(jī)開發(fā)，站在我現(xiàn)在的高度來回看單片機(jī)，可謂望眼欲穿。

下面振南要介紹的是“單片機(jī)的體系架構(gòu)模型”，是超脫于任何一種具體型號(hào)的單片機(jī)芯片之上的（我感覺我要成仙），它具有很強(qiáng)的普適性。幾乎所有的單片機(jī)，或是ARM、DSP以及更為高端的處理器都遵循這一模型。或者說，這一模型中的幾大要素是必需的。

我認(rèn)為只有在這個(gè)層面上，才能真正“看穿單片機(jī)”。

CPU模型

CPU，即中央處理單元，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，占有至高無上的地位，擁有絕對(duì)的管理權(quán)與控制權(quán)，如圖1.6。

圖1.6 CPU在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占有核心地位

CPU的核心要?jiǎng)?wù)是執(zhí)行指令，比如計(jì)算兩個(gè)數(shù)的和、讀寫寄存器、操作總線讀寫內(nèi)存等等。每一個(gè)CPU都有自己事先設(shè)計(jì)好的一套指令集，或稱指令系統(tǒng)，每一條指令完成一項(xiàng)具體的操作和功能。但是指令集并不是憑空存在的，每條指令必然都對(duì)應(yīng)著一套電路。當(dāng)CPU執(zhí)行一條指令時(shí)，其實(shí)就是相應(yīng)的電路在工作。所以，一個(gè)CPU的性能是否優(yōu)異，一部分因素就在于指令集是否豐富，指令功能是否強(qiáng)大，指令電路是否強(qiáng)大而高效。

從復(fù)雜程度上來說，CPU指令集主要分為兩種：復(fù)雜指令集（CISC）與精簡指令集（RISC）。大多數(shù)的嵌入式CPU都是RISC的，這一方面表現(xiàn)在指令的數(shù)量上：指令少，則對(duì)應(yīng)的電路就少，可以很大程度上降低CPU設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也降低了功耗；另一方面則表現(xiàn)在指令的功能量級(jí)上：指令本身一般不宜實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜的功能，這使得指令執(zhí)行效率比較高。CISC則不同（x86就是最為經(jīng)典的CISC指令集），它的指令數(shù)量龐大（少的有300條左右，多的甚至超過500條，而RISC通常不超過100條），而且指令的功能都比較強(qiáng)大。這意味著采用CISC指令集的CPU在電路設(shè)計(jì)上的難度很大，研發(fā)周期比較長。但是它在功能和性能上都是RISC所無法企及的（一條CISC指令所完成的工作可能需要若干條RISC指令才能完成）。所以在大型服務(wù)器、工作站這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大多使用CISC指令CPU。

實(shí)際上，CISC與RISC只是為了適應(yīng)不同的需求而產(chǎn)生的，它們并非對(duì)立，反而是相互促進(jìn)，取長補(bǔ)短的關(guān)系。CISC中已經(jīng)開始加入部分RISC指令，而在嵌入式領(lǐng)域中也出現(xiàn)了一些CISC指令的CPU。融合了CISC與RISC雙重指令集的新型CPU將是以后的發(fā)展趨勢(shì)。

上面是振南對(duì)CPU指令集的簡要介紹，其實(shí)與指令集密切相關(guān)還有一些關(guān)鍵技術(shù)，比如流水線、指令預(yù)取、亂序執(zhí)行等等，是它們讓CPU的性能有了更大的提升（振南早期就職于Intel中國研究院，主要就是研究這方面技術(shù)，所以深有感觸）。不過在這里振南不對(duì)其進(jìn)行講解，有興趣的讀者可以自行研究。

直到現(xiàn)在，仍然有很多人向我咨詢關(guān)于計(jì)算機(jī)基本原理、體系架構(gòu)、硬件組成等等方面的問題，我在解答之余，也在問他們：“你們對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)如此感興趣，為什么起初不學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)呢？”我其實(shí)明白，很多人在高考報(bào)志愿的時(shí)候，都是有些盲目的。

指令的實(shí)質(zhì)是什么？是C語言中的a=0？是匯編語言中的MOV？不，大家看到的這些語句只是指令的一種表達(dá)形式而已。指令的實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有一定長度的二進(jìn)制序列（比如0101111010101010或1011010111011011等）。CPU在得到指令之后，首先由指令譯碼電路從中分離中操作碼、操作數(shù)，如圖1.7所示（以51的MOV指令為例進(jìn)行說明）。

圖1.7 對(duì)指令碼的譯碼

01110100即為指令74H，它的功能是將后面的操作數(shù)（00010000，即10H）傳送到A寄存器（51 CPU中的累加器）。這條指令如果使用匯編語言來表示就是MOV A,#10H，它通過匯編器翻譯之后，就是上圖中的16位指令碼（匯編語言的提出，只是對(duì)最原始的CPU二進(jìn)制指令進(jìn)行了封裝，用一些便于記憶的標(biāo)識(shí)，比如MOV、ADD、INC等對(duì)指令進(jìn)行表示，經(jīng)過匯編器翻譯后，就是可直接進(jìn)入CPU進(jìn)行執(zhí)行的指令碼序列了）。

振南經(jīng)常想像在CPU問世初期人們是如何向CPU輸入指令的—“打孔紙帶”，如圖1.8。

圖1.8 人們使用紙帶打孔方式向CPU輸入指令

在匯編語言產(chǎn)生之前，程序指令的編制都要完全靠人工來完成。人們將編好的若干條指令通過紙帶打孔方式輸入到CPU中，讓它可以依次執(zhí)行，最終完成整個(gè)計(jì)算任務(wù)（紙帶上的‘孔’與‘實(shí)’代表了1和0）。從某種意義上來說，“紙帶”才是第一代編程語言，然后“匯編語言”是第二代編程語言。它們都是離CPU指令最近的語言，所以我們稱之為“低級(jí)語言”。最后才產(chǎn)生了C語言，它與我們?nèi)祟惾粘Ｊ褂玫淖匀徽Z言（英語）已經(jīng)非常接近，這意味著它離CPU指令很遠(yuǎn)了。它需要經(jīng)過專門的編譯器進(jìn)行預(yù)處理、語義分析、編譯等加工處理，生成中間代碼（匯編），然后再進(jìn)一步進(jìn)行匯編、連接等處理才能得到真正可由CPU執(zhí)行的指令碼。所以，C語言被稱為“高級(jí)語言”。

綜上所述，我們可以認(rèn)為CPU就是一個(gè)取指令執(zhí)行的機(jī)器，這就是CPU的主要功能和工作。但是CPU的體系結(jié)構(gòu)又并非僅僅這么簡單，如何協(xié)調(diào)取指令的過程，防止出錯(cuò)？指令存儲(chǔ)在哪里？CPU如何從存儲(chǔ)器中取出指令？這些問題我們都要深刻理解，否則C語言和單片機(jī)是無法真正精通的。