單片機(jī)指令集和操作系統(tǒng)的關(guān)系

1> 首先討論各種單片機(jī)與操作系統(tǒng)的關(guān)系

說到單片機(jī)，大家第一時(shí)間想到的應(yīng)該是51單片機(jī)，對(duì)吧。不錯(cuò)，更高級(jí)一點(diǎn)的AVR，把他稱為單片機(jī)，我們也還覺得可以接受。那么再高級(jí)一點(diǎn)的ARM7，8086，80386，Core i3，Athlon 等等我們更習(xí)慣稱他們?yōu)镃PU，因?yàn)閷W(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理的時(shí)候都是這么叫的，但按照單片機(jī)的定義，他們也是歸屬于單片機(jī)。這也不怪大家，中國的教育都是這樣，只注重告訴你是什么，而不告訴你他們之間的聯(lián)系。上述幾種單片機(jī)或者芯片(如果你還是覺得把core i3叫做單片機(jī)你不習(xí)慣的話)在原理上都是一樣，即都是有運(yùn)算器 控制器 寄存器構(gòu)成的，不同之處在于它們的硬件電路實(shí)現(xiàn)不同，個(gè)數(shù)不同，功耗不同，計(jì)算能力不同，但都提供相同的基本功。OK，終于讓cpu找到了組織，那么就介紹為什么有的單片機(jī)要操作系統(tǒng)，有的在我們學(xué)習(xí)的過程中壓根就跟操作系統(tǒng)不挨邊。

51/AVR單片機(jī) 在學(xué)習(xí)他們的時(shí)候，都是先介紹它們有哪些資源——有幾個(gè)寄存器，有幾個(gè)時(shí)鐘等，然后就是怎么用匯編，用C或者是C與匯編混合編程。這里我們用的語言都是可以直接操作硬件資源的，因此我們可以自己決定什么時(shí)候使用哪個(gè)寄存器，什么時(shí)候?qū)⒓拇嫫鲀?nèi)容寫到輔存儲(chǔ)器中。

ARM單片機(jī) 在學(xué)習(xí)它的時(shí)候，我們可以給他搭載操作系統(tǒng)，如MicroC/OS，iOS X, Android或者其他定制的Linux操作系統(tǒng)，但有時(shí)我們也經(jīng)常不讓它搭載操作系統(tǒng)，而是直接像使用51單片機(jī)那樣來操作它。

Core i3 / Athlon單片機(jī)(或者CPU，如果你還是不喜歡用單片機(jī)來形容這么牛逼的硬件) 你幾乎沒有聽說過身邊誰會(huì)在這種單片機(jī)上開發(fā)應(yīng)用(如果有，一定要引薦我認(rèn)識(shí)一下哦)。因?yàn)樵谶@種單片機(jī)上開發(fā)的應(yīng)用有一個(gè)很牛逼的名字——操作系統(tǒng)! 由于這種單片機(jī)提供的資源太多，能干的活太多，我們需要有一個(gè)專門的程序來負(fù)責(zé)管理它，從而避免對(duì)相同的功能重復(fù)開發(fā)。這樣我們就可以從對(duì)硬件編程中解放出來，更專注于應(yīng)用層面的開發(fā)。從某種意義上來說，操作系統(tǒng)也就是一個(gè)應(yīng)用程序而已，只不過他有點(diǎn)特別。

一般這種情況下，打個(gè)比方會(huì)比較好——單車和汽車。單車很簡(jiǎn)單，我們對(duì)它的構(gòu)成及零部件也很熟悉，鏈條掉了，我們也完全能夠應(yīng)付。這就好比51單片機(jī)，資源不多，我們完全能夠hold住。相較而言，汽車則復(fù)雜很多，有減速系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)，電子系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)等等，但是我們并不需要清楚他們的硬件工作原理，我們之需要知道按那個(gè)開關(guān)，踩那個(gè)踏板就好了。這就好比單片機(jī)上的操作系統(tǒng)，它不需要我們清楚硬件的構(gòu)造，想要實(shí)現(xiàn)功能，直接調(diào)用系統(tǒng)提供的API就可以了。 在我們雙腳不停的蹬著踏板，自行車就前進(jìn)這個(gè)動(dòng)作中，我們是清楚的知道這其中各個(gè)部件的運(yùn)行原理過程的;但如果你是踏著油門，汽車就跑起來，我覺得大部分人都不了解其中涉及到了哪些部件，以及各個(gè)部件的原理的。但這不妨礙我們使用，不是嗎。

2> cpu與指令集的關(guān)系

cpu依靠指令來計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一些列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)，或者說某款cpu的硬件設(shè)計(jì)其實(shí)就是針對(duì)某個(gè)指令集的一種硬件實(shí)現(xiàn)。指令集也就是所謂的目標(biāo)代碼(或稱為機(jī)器代碼，是可以直接在CPU上運(yùn)行的代碼)可以看作是要求cpu對(duì)外提供的功能，某款CPU的設(shè)計(jì)肯定是朝著某個(gè)指令集來的。所以，不同的cpu架構(gòu)，也表示這他的指令集要么較之前的指令集有所拓展或者就是實(shí)現(xiàn)了一種全新的指令集。指令集中的一條指令，就是讓cpu完成一系列的動(dòng)作，而該動(dòng)作的完成則表明了某種運(yùn)算的完成。一個(gè)功能可能需要一條或幾條指令來實(shí)現(xiàn)。比如匯編的MOV或者LD語句就可能對(duì)應(yīng)著幾條cpu指令。

下面介紹幾種常見的CPU架構(gòu)與指令集的對(duì)應(yīng)關(guān)系(所謂架構(gòu)是指硬件電路的實(shí)現(xiàn))：

intel X86架構(gòu)CPU可能實(shí)現(xiàn)了多個(gè)指令集x86，x86-64，MMX，SSE，SSE2，SSE3，SSSE3 ，而這些指令集中的指令讓cpu完成的動(dòng)作都比較復(fù)雜，所以也稱為CISC

AMD amd64架構(gòu)的cpu 兼容了x86指令集還拓增了3D-Now!指令集，用于加強(qiáng)對(duì)3D顯示的支持。

ARM ARMv1~ARMv7架構(gòu)的cpu實(shí)現(xiàn)了Thumb指令集和ARM指令集。這些指令集中的一條指令讓cpu完成的動(dòng)作都比較簡(jiǎn)單，所以也稱為RISC指令集

3> 指令集與操作系統(tǒng)的關(guān)系

這里要重新提及一下之前講到的兩個(gè)概念：指令集——就是機(jī)器代碼;操作系統(tǒng)——就是應(yīng)用程序

首先我們要知道計(jì)算機(jī)之父馮-諾伊曼說計(jì)算機(jī)只能運(yùn)行在二進(jìn)制上。所以不論是操作系統(tǒng)還是普通的應(yīng)用程序最終都得轉(zhuǎn)化到二進(jìn)制代碼才能夠被cpu所處理。而用高級(jí)語言編寫的普通應(yīng)用程序都必須經(jīng)過編譯器編譯后成為二進(jìn)制代碼(指令)才能運(yùn)行。而不同的cpu所實(shí)現(xiàn)的指令集不同，所以不同的指令集對(duì)應(yīng)的編譯器也不盡相同，編譯器不同，相同的高級(jí)語言程序經(jīng)過編譯后所得到的二進(jìn)制代碼也不同。這就引出了“移植”和“跨平臺(tái)”兩個(gè)概念。OK，重新捋一下：cpu架構(gòu)-指令集-編譯器-程序 環(huán)環(huán)相扣，緊密聯(lián)系。所以你就會(huì)聽到說Windows操作系統(tǒng)只能夠運(yùn)行在X86架構(gòu)的CPU上，不能運(yùn)行在Power 或 ARM 上，因?yàn)橹噶罴煌炙跃陀辛?ldquo;Wintel”聯(lián)盟。所以你也可以看到有的編譯器是有硬件廠家提供的，比如Intel就提供C和C++的編譯器，這樣編譯出來的程序就能更好的利用硬件的性能。那為什么又會(huì)聽到linux可以運(yùn)行在不同架構(gòu)的CPU上呢?那是因?yàn)閘inux是開源的，因此就可以將它移植到不同的CPU平臺(tái)上，然后在用相應(yīng)的編譯器編譯，就得到了可以在該CPU上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼了。而Windows是封閉的，得不到源代碼，而MS自己又沒有移植到別的CPU平臺(tái)上的打算，所以當(dāng)然就只能在X86上運(yùn)行了。(BTW，X86也是性能最好的CPU之一，而Windows對(duì)性能要求較高，所以MS當(dāng)然也就不愿意移植了)