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# 小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列二、嵌入式系统硬件基础知识（2）嵌入式微处理器基础

嵌入式操作系统硬件架构的核心是处理器 Central Processing Unit,CPU，负责从内存中取出指令，解码确定类型和操作数后再执行该指令。

冯诺依曼结构

哈佛结构

每个 CPU 都有其一套可执行的专门指令集。

复杂指令集 Complex Instrunction Set Computer , CISC

精简指令集 Reduced Instrunction Set Computer , RISC

在实际使用中，人们发现：典型程序中 80% 的语句仅使用到指令系统中 20% 的指令，而且使用频率较高的指令都是简单的基本指令。

复杂指令的设计更为复杂，使得其执行速度受限。

精简指令集计算机 RISC，其设计特点是简化指令集，只设置使用频度高的一些指令，复杂指令功能由多条简单指令组合来实现。

在嵌入式系统中，通过访问内存得到的指令或者数据的时间远大于 CPU 执行指令所花费的时间。因此在 CPU 内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。

• 通用寄存器组
  • 以 Intel 8086CPU 为例，其内部包含 8 个 16 位通用寄存器
    • 通用数据寄存器 AX、BX、CX、DX。
    • 基址寄存器 BX、BP。
    • 寄存器间接、变址寻址功能 SI、DI。
    • 堆栈指针 SP
• 运算器
  • Arithmetic&logic Unit ALU 算数逻辑单元
  • 可以完成各种算数和逻辑运算，同时配合 ALU 工作的有暂存器。
• 控制器
  • 构成 CPU 的另一个重要部件，主要有一下几种：
  • 程序计数器（Program Counter,PC）, 存放着下一条需要执行指令的内存地址。
  • 程序状态字（Program Status Word,PSW）, 存放着指令执行结果状态及一些特定标志，例如溢出标志 OF、进位标志 CF 等。
  • 指令寄存器（Instruction Register,IR）, 存放当前执行指令。
  • 时序部件，用于产生所需时序信号。

随着计算机的发展，现有 CPU 内部还集成了高速缓存（Cache）、流水线等部件。

# 一、嵌入式微处理器的结构和类型

# 1、8 位、16 位、32 位处理器的体系结构特点

• 常用 8 位处理器的体系结构特点
  • 使用 8 位数据总线的微处理器。可以通过多重内存存取的方式来处理更多的数据。
  • 大部分的 8 位微处理器有 16 位的地址总线，能访问 64KB 的地址空间。
  • 低成本、可扩充内存及接口设备等特点，目前仍然在嵌入式系统领域得到广泛的应用。
  • 8051
• 常用 16 位处理器的体系结构特点
  • 内部总线宽度为 16 的微处理器。
  • 目前主要应用于便携式设备、工业控制及智能仪器仪表等。
• 常用 32 位处理器的体系结构特点
  • 32 位的地址和数据总线，其地址空间达到了 4GB。
  • ARM。是一种 RISC 体系结构的微处理器
    • 在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元 ALU 和移位器，以使 ALU 和移位器获得最大的利用率。
    • 自动递增和自动寻址模式，以优化程序中的循环。
    • 同时执行 Load 和 Store 多条指令，以增加数据吞吐量。
    • 所有指令都可以条件执行，以执行吞吐量。
  • ARM 的数据类型：
    • 字（Word）：在 ARM 体系结构中，字的长度为 32 位，而在 8 位 / 16 位处理器体系结构中，子的长度一般为 16 位。
    • 半字（Half-Word）
    • 字节（Byte）：8 位
  • ARM 微处理器支持 7 种运行模式
    • 用户模式（USR）
    • 快速中断模式（FIQ）
    • 外部中断模式（IRQ）
    • 管理模式（SVC）
    • 数据访问终止模式（ABT）
    • 系统模式（SYS）
    • 定义指令中止模式（UND）
  • MIPS 处理器
  • PowerPC 有三个级别
    • Book I 用户指令集体系结构
    • Book II 虚拟环境体系结构
    • Book III 操作环境体系结构

# 2、DSP 处理器的体系结构特点

Digital Signal Process (DSP)。数字信号处理器，内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛用于流水线操作，提供特殊的指令，可以用来快速地实现各种数字信号的处理算法。有一下特征：

• 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
• 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。
• 片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。
• 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
• 快速的中断处理和硬件 I/O 支持。
• 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
• 可以并行执行多个操作。
• 支持流水线操作，使取指、译码和执行可以重叠执行。

DSP 的其他通用功能较弱。功耗较小。

# 3、多核处理器的体系结构特点

同构多核：内核相同、地位对等。反之为异构多核。

• 同构多核处理器
  • Intel 酷睿架构处理器
  • TI keystone 架构

• 异构多核处理器
  • AMD 独显
  • TI OMAP/Davinci 处理器系列

• Xilinx Zynq 处理器

# 二、嵌入式微处理器的异常与中断

# 1、异常

异常是一种形式的异常控制流，它的一部分是由应硬件实现的，一部分由操作系统实现。

异常可分为四类：

# 2、中断

中断是异步的。

• 硬中断和软中断
  • 硬中断是由硬件产生的
  • 软中断，软中断不会被另一个软中断抢占，可以被硬中断抢占。
• 可屏蔽中断与不可屏蔽中断
  • INTR Interrupt Require
  • NMI Non Maskable Interrupr
• 中断优先级
  • 查询优先级
  • 执行优先级
  • 中断控制器能对中断进行排队管理，同时支持不同优先级的配置，使得高优先级能够中断低优先级中断。
• 中断嵌套