一、計算機架構(gòu)

在了解計算機架構(gòu)之前，我們先來認(rèn)識幾位對計算機的發(fā)明做出關(guān)鍵共享的幾位大佬。

1. 巴貝奇

機械計算機之父，英國貴族，曾孤軍奮戰(zhàn)下造出的第一臺差分機，運算精度達(dá)到了6位小數(shù)，后來又設(shè)計了20位精度的差分機，其設(shè)計理念已經(jīng)達(dá)到了機械設(shè)計登峰造極的境界。

1985～1991年，倫敦科學(xué)博物館為了紀(jì)念巴貝奇誕辰200周年，根據(jù)其1849年的設(shè)計，用純19世紀(jì)的技術(shù)成功造出了差分機2號。

巴貝奇堪稱上個世紀(jì)最強大腦，他的大腦現(xiàn)保存在英國科學(xué)博物館。

程序員的祖師奶奶Ada正是在和巴貝奇共同工作時提出了程序循環(huán)分支等等我們現(xiàn)在都習(xí)以為常的編程理念。

2. 圖靈

被稱為計算機科學(xué)之父，人工智能之父。1931年圖靈進(jìn)入劍橋大學(xué)國王學(xué)院，畢業(yè)后到美國普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后回到劍橋，后曾協(xié)助軍方破解德國的著名密碼系統(tǒng)Enigma，幫助盟軍取得了二戰(zhàn)的勝利。圖靈對于人工智能的發(fā)展有諸多貢獻(xiàn)，提出了一種用于判定機器是否具有智能的試驗方法，即圖靈試驗，至今，每年都有試驗的比賽。

圖靈在戰(zhàn)時服務(wù)的機構(gòu)于1943年研制成功的CO-LOSSUS(巨人)機，這臺機器的設(shè)計采用了圖靈提出的某些概念。它用了1500個電子管，采用了光電管閱讀器；利用穿孔紙帶輸入；并采用了電子管雙穩(wěn)態(tài)線路，執(zhí)行計數(shù)、二進(jìn)制算術(shù)及布爾代數(shù)邏輯運算，巨人機共生產(chǎn)了10臺，用它們出色地完成了密碼破譯工作。

強烈推薦這部根據(jù)圖靈生平改編的電影《模仿游戲》，一起感受下這個絕世天才不平凡的一生。

3. 馮諾依曼-《計算機與人腦》

計算機架構(gòu)主要有兩種：哈佛架構(gòu)、馮諾依曼架構(gòu)?，F(xiàn)代計算機，大部分都是基于馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

我個人認(rèn)為馮諾依曼應(yīng)該是上個世紀(jì)「最聰明的人，沒有之一」。

他的個人成就在此就不說了，大家可以自行搜索，很多成就，一口君連名字都看不懂，只有博弈論還勉強知道是啥意思。

本文只討論大神對計算機的貢獻(xiàn)【其實計算機并不是大神的最厲害的成就，而且他也并沒有花太多時間精力在計算機的研究上】。

1955年10月，諾伊曼，被查出患有癌癥。而他幾乎是在他生命的最后時刻，于臨終的病榻上撰寫了關(guān)于人的神經(jīng)系統(tǒng)與計算機關(guān)系的講稿。1958年，他的講稿以《計算機與人腦》為題出版。

諾依曼從數(shù)學(xué)的角度，主要是從邏輯和統(tǒng)計數(shù)學(xué)的角度，討論了神經(jīng)系統(tǒng)的刺激——反應(yīng)和記憶等問題，提出神經(jīng)系統(tǒng)具有數(shù)字部分和模擬部分兩方面的特征，探討了神經(jīng)系統(tǒng)的控制及邏輯結(jié)構(gòu)。

4. 馮諾依曼架構(gòu)

馮諾依曼的核心是：「存儲程序，順序執(zhí)行」，規(guī)定計算機必須具有如下功能：

1. 把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計算機中；
2. 必須具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運算結(jié)果的能力；
3. 能夠完成各種算術(shù)、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力；
4. 能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機器的各部件協(xié)調(diào)操作；
5. 能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶

5. 哈佛架構(gòu)

馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的。

馮諾依曼結(jié)構(gòu)是程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲器都是可以放到內(nèi)存中，統(tǒng)一編碼的，而哈弗結(jié)構(gòu)是分開編址的。

6. 哪些處理器是哈佛架構(gòu)、馮諾依曼架構(gòu)？

「哈佛架構(gòu)」

MCU（單片機）幾乎都是用哈佛結(jié)構(gòu)，譬如廣泛使用的51單片機、典型的STM32單片機（核心是ARM Cortex-M系列的）都是哈佛結(jié)構(gòu)。

「馮諾依曼架構(gòu)」

PC和服務(wù)器芯片（譬如Intel AMD），ARM Cortex-A系列嵌入式芯片（譬如核心是ARM Cortex-A9的三星exynos-4412，譬如華為的麒麟970等手機芯片）等都是馮諾依曼結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)都需要大量內(nèi)存，所以工作內(nèi)存都是DRAM，因為他們更適合使用馮諾依曼系統(tǒng)。

「混合結(jié)構(gòu)」

實際上現(xiàn)代的CPU（準(zhǔn)確說叫SoC）基本都不是純粹的哈佛結(jié)構(gòu)或馮諾依曼機構(gòu)，而都是混合結(jié)構(gòu)的。

比如三星exynos 4412，使用ARM的Cortex-A9核心?；趀xynos 4412開發(fā)板上都配備了1024MB的DDR SDRAM，和8GB的EMMC。

正常工作時所有的程序和數(shù)據(jù)都從EMMC中加載到DDR中，也就是說不管你是指令還是數(shù)據(jù)，存儲都是在EMMC中，運行時都在DDR中，再通過cache和寄存器送給CPU去加工處理。這就是典型的馮諾依曼系統(tǒng)。

但是，exynos 4412內(nèi)部仍然有一定容量的64KB irom和64KB iram，這些irom和iram是用于SoC引導(dǎo)和啟動的，芯片上電后首先會執(zhí)行內(nèi)部irom中固化的代碼，其實執(zhí)行這些代碼時4412就好像一個MCU一樣，irom就是他的flash，iram就是他的SRAM，這又是典型的哈佛結(jié)構(gòu)。

這就是混合式結(jié)構(gòu)設(shè)計，而非純粹設(shè)計。之所以采用混合式設(shè)計其實就是為了各取所長而已。

不管白貓黑貓，解決問題就是好貓。

二、計算機組成

計算機系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng) 硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。

1).輸入設(shè)備

輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并且將它們轉(zhuǎn)換成計算機內(nèi)部所能識別和接受的信息方式。常用的有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。

2).輸出設(shè)備

輸出設(shè)備的任務(wù)是將計算機的處理結(jié)果以人或其他設(shè)備所能接受的形式送出計算機。常用的有顯示器、打印機、繪圖儀等。

3).存儲器、CPU

見第三節(jié)

4). 計算機的總線結(jié)構(gòu)

將各大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計算機的硬件系統(tǒng)。

系統(tǒng)總線包含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）、地址總線AB（Address Bus）和控制總線CB（Control Bus）。

數(shù)據(jù)總線DB 用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機的一個重要指標(biāo)，通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。

地址總線AB 專門用來傳送地址的。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為216＝64KB，16位微型機的地址總線為20位，其可尋址空間為220＝1MB?？刂瓶偩€CB 用來傳送控制信號和時序信號?？刂菩盘栔?，有的是微處理器送往存儲器和I／O接口電路的，如讀／寫信號，片選信號、中斷響應(yīng)信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復(fù)位信號、總線請求信號、限備就緒信號等?？刂瓶偩€的具體情況取決于CPU。

三、 CPU工作原理

CPU內(nèi)部主要包括運算器和控制器。

1) 存儲器

存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程序控制”的基礎(chǔ)。

包括：Cache、主存儲器、輔助存儲器。

「高速緩沖存儲器（Cache）」CPU可以直接訪問，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序中的活躍部分，以便快速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)。

「主存儲器」可由CPU直接訪問，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。

「輔助存儲器」設(shè)置在主機外部，CPU不能直接訪問，用來存放暫時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，需要時再傳送到主存。

2) 運算器

運算器的核心是算術(shù)邏輯運算部件ALU，還包括若干個寄存器（如累加寄存器、暫存器等）。

ALU可以執(zhí)行算術(shù)運算(包括加減乘數(shù)等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個值比較)。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動作，即運算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

3) ?控制器

控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由程序計數(shù)器PC（Program Counter）, 指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。

它根據(jù)用戶預(yù)先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼(分析)確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。

4) CPU的運行原理總結(jié)

控制單元在時序脈沖的作用下，將指令計數(shù)器里所指向的指令地址(這個地址是在內(nèi)存里的)送到地址總線上去，然后CPU將這個地址里的指令讀到指令寄存器進(jìn)行譯碼。

對于執(zhí)行指令過程中所需要用到的數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)地址也送到地址總線，然后CPU把數(shù)據(jù)讀到CPU的內(nèi)部存儲單元(就是內(nèi)部寄存器)暫存起來，最后命令運算單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工。

周而復(fù)始，一直這樣執(zhí)行下去。

5) 指令執(zhí)行過程

一條指令的執(zhí)行通常包括以下4個步驟:

1、取指令：CPU的控制器從內(nèi)存讀取一條指令并放入指令寄存器。2、指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作(就是指令里的操作碼)、操作數(shù)在哪里(操作數(shù)的地址)。3、 執(zhí)行指令，分兩個階段“取操作數(shù)”和“進(jìn)行運算”。4、 修改指令計數(shù)器，決定下一條指令的地址。

6) ARM技術(shù)特征

ARM的成功，一方面得益于它獨特的公司運作模式，另一方面，當(dāng)然來自于ARM處理器自身的優(yōu)良性能。作為一種先進(jìn)的RISC處理器，ARM處理器有如下特點。

1. 體積小、低功耗、低成本、高性能。
2. 支持Thumb(16位）/ARM(32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件。
3. 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。
4. 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。
5. 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。
6. 指令長度固定。此處有必要講解一下RISC微處理器的概念及其與CISC微處理器的區(qū)別。

7) ARM體系架構(gòu)的發(fā)展

體系架構(gòu)的定義：體系架構(gòu)定義了指令集（ISA)和基于這一體系架構(gòu)下處理器的編程模型?；谕N體系架構(gòu)可以有多種處理器，每個處理器性能不同，所面向的應(yīng)用不同，每個處理器的實現(xiàn)都要遵循這一體系結(jié)構(gòu)。ARM體系架構(gòu)為嵌入系統(tǒng)發(fā)展商提供很高的系統(tǒng)性能，同時保持優(yōu)異的功耗和效率。

ARM體系架構(gòu)為滿足ARM合作者及設(shè)計領(lǐng)域的一般需求正穩(wěn)步發(fā)展。目前，ARM體系架構(gòu)共定義了8個版本，從版本1到版本8,ARM體系的指令集功能不斷擴大，不同系列的ARM處理器，性能差別很大，應(yīng)用范圍和對象也不盡相同，但是，如果是相同的ARM體系架構(gòu)，那么基于它們的應(yīng)用軟件是兼容的。

下面我們簡單介紹下 V7/V8架構(gòu)。

v7架構(gòu)

ARMv7架構(gòu)是在ARMv6架構(gòu)的基礎(chǔ)上誕生的。該架構(gòu)采用了Thumb-2技術(shù)，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純32位代碼少使用31%的內(nèi)存，減小了系統(tǒng)開銷，同時能夠提供比已有的基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38%的性能。ARMV7架構(gòu)還采用了NEON技術(shù)，將DSP和媒體處理能力提高了近4倍。并支持改良的浮點運算，滿足下一代3D圖形、游戲物理應(yīng)用及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需求。

v8架構(gòu)

ARMv8架構(gòu)是在32位ARM架構(gòu)上進(jìn)行開發(fā)的，將被首先用于對擴展虛擬地址和64位數(shù)據(jù)處理技術(shù)有更高要求的產(chǎn)品領(lǐng)域，如企業(yè)應(yīng)用、高檔消費電子產(chǎn)品。ARMv8架構(gòu)包含兩個執(zhí)行狀態(tài)：AArch64和AArch32。AArch64執(zhí)行狀態(tài)針對64位處理技術(shù)，引入了一個全新指令集A64,可以存取大虛擬地址空間；而AArch32執(zhí)行狀態(tài)將支持現(xiàn)有的ARM指令集。目前的ARMv7架構(gòu)的主要特性都將在ARMv8架構(gòu)中得以保留或進(jìn)一步拓展，如TrustZone技術(shù)、虛擬化技術(shù)及NEON advanced SIMD技術(shù)等。

8) ARM 微處理器架構(gòu)

ARM內(nèi)核采用RISC體系架構(gòu)。ARM體系架構(gòu)的主要特征如下。

1. 采用大量的寄存器，它們都可以用于多種用途。
2. 采用Load/Store體系架構(gòu)。
3. 每條指令都條件執(zhí)行。
4. 采用多寄存器的Load/Store指令。
5. 能夠在單時鐘周期執(zhí)行的單條指令內(nèi)完成一項普通的移位操作和一項普通的ALU操作。
6. 通過協(xié)處理器指令集來擴展ARM指令集，包括在編程模式中增加了新的寄存器和數(shù)據(jù)類型。
7. 如果把Thumb指令集也當(dāng)做ARM體系架構(gòu)的一部分，那么在Thumb體系架構(gòu)中還可以高密度16位壓縮形式表示指令集。

9) ARM指令

ARM指令是RISC（Reduced Instruction Set Computing），即精簡執(zhí)令運算集，RISC把著眼點放在如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單和如何使計算機的處理速度更加快速上。RISC選取了使用頻率最高的簡單指令，拋棄復(fù)雜指令，固定指令長度，減少指令格式和尋址方式，不用或少用微碼控制。這些特點使得RISC非常適合嵌入式處理器。

RISC可以實現(xiàn)以相對少的晶體管設(shè)計出極快的微處理器。通過研究發(fā)現(xiàn)，只有大約20%的指令是最常用的，把處理器能執(zhí)行的指令數(shù)目減少到最低限度，對它們的執(zhí)行過行優(yōu)化，就可以極大地提高處理的工作速度。

一般來說，RISC處理器比同等的CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計算機）處理器要快50%-75%，同時RISC處理器更容易設(shè)計和糾錯。

一般指令格式如下：

「操作碼：」操作碼就是匯編語言里的mov,add,jmp等符號碼；

「操作數(shù)地址：」用于說明該指令需要的操作數(shù)所在的地方，是在內(nèi)存里還是在CPU的內(nèi)部寄存器里。

實際上的機器指令格式遠(yuǎn)比這個復(fù)雜，下圖是常用的ARM指令格式：

關(guān)于這些機器指令格式，后面我們會挑選其中幾個分析，對于我們大部分讀者來說，沒有必要花太多精力去研究這些機器指令，只需要大概了解即可。

關(guān)于CPU我們從宏觀上把握到這個程度就OK了，后面我們會逐步進(jìn)入后續(xù)階段的學(xué)習(xí)，介紹ARM寄存器模式、異常、尋址、匯編指令，以及C代碼中嵌入的匯編語言的寫法。

四、SOC

SOC:　系統(tǒng)芯片是一個將計算機或其他電子系統(tǒng)集成單一芯片的集成電路。系統(tǒng)芯片可以處理數(shù)字信號、模擬信號、混合信號甚至更高頻率的信號。

從狹義角度講,它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成,是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上; 從廣義角度講, SoC是一個微小型系統(tǒng),如果說中央處理器(CPU)是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。

1. ARM base Soc

嵌入式系統(tǒng)中常常要使用系統(tǒng)芯片。系統(tǒng)芯片的集成規(guī)模很大，一般達(dá)到幾百萬門到幾千萬門。SOC相對比較靈活，它可以將arm架構(gòu)的處理器與一些專用的外圍芯片集成到一起，組成一個系統(tǒng)。

下圖是一個典型的基于ARM架構(gòu)的SOC架構(gòu)圖。

一個典型的基于ARM的Soc架構(gòu)通常包含以下幾個主要部件：

1. ARM Processor core ? ?處理器核
2. Clocks and Reset Controller ? 時鐘和復(fù)位電路
3. Interrupt Controller ? 中斷控制器
4. ARM Propherals ?外部設(shè)備
5. GPIO
6. DMA Port
7. External Memory Interface 外部內(nèi)存接口
8. On chip RAM 偏上RAM
9. AHB、APB總線

其實現(xiàn)有的ARM處理器如Hisi-3507、exynos-4412等處理器都是一個SOC系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用處理器它集成了許多外圍的器件，為執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)、更復(fù)雜的應(yīng)用提供了強大的支持。

該架構(gòu)是我們理解匯編指令和編寫裸機程序的基石。

當(dāng)我們拿到一個新的SOC的datasheet，首先就要根據(jù)這個架構(gòu)，來查看SOC的「RAM空間、時鐘頻率、包括哪些外部設(shè)備的控制器，各個外設(shè)控制器的操作原理，各個外設(shè)對GPIO的引腳復(fù)用情況、各個控制器的SFR地址、中斷控制器是如何管理眾多中斷源的等等」。

2. 三星 Exynos 4412

2012年初，三星正式推出了自家的首款四核移動處理器Exynos4412。

下面三星的exynos 4412的SOC。

如上圖所示，exynos 4412主要包括以下模塊：

1. 4（quad）個Cortex-A9處理器
2. 1MB的 L2 Cache
3. Interrupt Controller 中斷控制器，管理所有的中斷源
4. Interrupt Combiner 中斷控制器，管理soc內(nèi)的一些中斷源
5. NEON ARM 架構(gòu)處理器擴展結(jié)構(gòu)，旨在通過加速多媒體(video/audio)編解碼，用戶界面，2D/3D圖形及游戲來提高人對多媒體的體驗
6. DRAM、Internal RAM、NAND Flash、SROM Controller 各種存儲設(shè)備的控制器
7. SDIO、USB、I2C、UART、SPI等總線
8. RTC、Watchdog Timer
9. Audio Subsystem 聲音子系統(tǒng)
10. IIS(Integrate Interface of Sound)接口 ，集成語音接口
11. Power Management電源管理
12. Multimedia Block 多媒體模塊

這款新Exynos四核處理器，擁有32nm HKMG(高K金屬柵極技術(shù)）制程，支持雙通道LPDDR21066。三星公司已將這顆圖形處理器主頻由此前的266MHz提升至400MHz,新聞稿指出其會比現(xiàn)有的雙核機型整體性能提升60%,圖像處理能力提升50%。

三星智能手機Galaxy S III手機就采用了Exynos4412處理器。

學(xué)習(xí)ARM就必須深刻了解soc架構(gòu)，官方提供的datasheet是我們學(xué)習(xí)ARM、編寫驅(qū)動程序的基石，該手冊內(nèi)容比較多，我們并不需要每一章都掌握，用到哪個地方，我們就去學(xué)習(xí)即可。

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后續(xù)的文章，會基于華清遠(yuǎn)見的FS-4412開發(fā)板為大家講解常見的外設(shè)的原理，并編寫對應(yīng)的驅(qū)動程序。

下一篇預(yù)告：《2. 從0開始學(xué)ARM-CPU原理，基于ARM的SOC講解》

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