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1、CPU發(fā)展歷程

在一個電子系統(tǒng)中，處理器占據(jù)最重要的位置，被稱為中央處理器單元：CPU(Central Processing Unit)。它從IO設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，處理，然后顯示出來。CPU的發(fā)展有兩個路線：MPU、MCU。

• MPU只是一個處理器，需要搭配內(nèi)存等非常多的其他外設(shè)才可以構(gòu)成一個系統(tǒng)；

• MCU內(nèi)部有處理器、內(nèi)存、Flash及其他模塊，僅僅需要搭配少量外設(shè)就可以構(gòu)成一個系統(tǒng)。

  
  

(1) MPU這一路線，在上世紀(jì)80年代非常流行，那時的微型計算機(jī)、游戲機(jī)都是使用MPU。后來MPU逐漸式微，可以認(rèn)為MPU發(fā)展到現(xiàn)在只剩下了intel、AMD兩家公司，主要用于個人電腦中。芯片越來越復(fù)雜，逐漸強(qiáng)大，稱之為MPU似乎不恰當(dāng)，現(xiàn)在都直接稱為CPU。

• MPU即微處理器（Microprocessor Unit）

(2)MCU這一路線，就是把CPU、內(nèi)存、Flash都集中在一個芯片上，它再搭配其他外設(shè)備就可以構(gòu)建一個完整的系統(tǒng)。

MCU的發(fā)展經(jīng)歷過8位8051單片機(jī)、16位AVR單片機(jī)、32位STM單片機(jī)等等。

• 我們使用的51單片機(jī)、STM32單片機(jī)，一般都只是用來處理比較簡單的事務(wù)，應(yīng)用場景比較單一。

• 我們使用的手機(jī)，里面的主芯片更加復(fù)雜，它既含有CPU，也含有用于數(shù)據(jù)處理的DSP、用于圖形顯示的GPU。使用這類主芯片設(shè)計出來的電路板更加復(fù)雜，它的性能甚至不弱于個人電腦。

(3)為了跟個人電腦相區(qū)分，這些使用含有CPU電子產(chǎn)品，被稱為嵌入式系統(tǒng)、嵌入式產(chǎn)品、嵌入式板卡。

2、CPU、MPU和MCU

 嵌入式板卡就是一臺形狀不一樣的電腦，跟電腦相比，可以引入幾個概念：

(1)CPU(Central Processing Unit)：

• 中央處理器，在PC機(jī)它是一個獨立的芯片。

• 在嵌入系統(tǒng)中，它是芯片里的一個單元，跟其他模塊比如USB、UART、音頻組成一個芯片。

(2)MPU(Mircro Processor Unit)：

• 微處理器單元，其作用等同于在PC上使用的CPU，它也只僅僅是一個處理器，需要配合內(nèi)存、Flash等外設(shè)才可以使用。

• 現(xiàn)在，除了個人電腦上的CPU，基本上找不到MPU了。并且我們一般不把電腦上的CPU當(dāng)作MPU，畢竟它也是挺大的，并不“微小”。

  但是，在現(xiàn)實工作中，有時會遇到把Application Processors稱為MPU。

(3)Application Processors：

Application Processors 即應(yīng)用處理器，用于手機(jī)、平板當(dāng)中；

用來處理顯示、輸入，運(yùn)行用戶的程序等。

它跟MCU類似，也是集成了處理器和各類模塊；但是它的性能已經(jīng)極大提升，可以外接幾GB的內(nèi)存、幾GB的Flash。

Application Processors 的概念可以擴(kuò)展到其他場景，不再局限于手機(jī)、平板。

跟MCU相比，Application Processors的不同點：

• 集成了更多的模塊：比如用于數(shù)據(jù)處理的DSP、用于圖形顯示的GPU，甚至有多個處理器。

• 運(yùn)行的操作系統(tǒng)不同：MCU上一般不運(yùn)行操作系統(tǒng)，或是運(yùn)行RTOS；Application Processors基本上都會運(yùn)行比較復(fù)雜的操作系統(tǒng)(比如Linux)，在操作系統(tǒng)上運(yùn)行多個APP。

(4)SoC

SoC（System on Chip)，即片上系統(tǒng)。SoC的本意是在一個芯片上就可以搭建完整的系統(tǒng)。

但是這個概念在日常使用中比較寬泛：MCU芯片也可以稱為SoC，Application Processors也可以稱為SoC，即使它們還必須外接內(nèi)存/Flash等外設(shè)才可以運(yùn)行。

在以前的文檔中涉及SoC時，意指比較復(fù)雜的系統(tǒng)。這時候MCU不屬于SoC，因為MCU比較簡單；但是時代在發(fā)展，MCU也越來越復(fù)雜了，所以把MCU也當(dāng)作SoC也是可以的。

3、哈佛架構(gòu)和馮諾伊曼架構(gòu)

 CPU架構(gòu)可以分為哈弗架構(gòu)與馮諾伊曼架構(gòu)。

(1)哈佛架構(gòu)

• 指令與數(shù)據(jù)分開存放，CPU可以同時讀入指令、讀寫數(shù)據(jù)。

• 現(xiàn)在的ARM屬于哈佛結(jié)構(gòu)。

(2)馮諾伊曼架構(gòu)

• 指令、數(shù)據(jù)混合存放，CPU依次讀取指令、讀寫數(shù)據(jù)，不可同時操作指令和數(shù)據(jù)。

• PC機(jī)、服務(wù)器屬于馮諾伊曼架構(gòu)。

4、指令集：CISC和RISC

(1)CISC，即復(fù)雜指令集計算機(jī)。

• 指令數(shù)量多：包含數(shù)百條復(fù)雜指令，涵蓋多種操作（如內(nèi)存訪問、算術(shù)運(yùn)算、字符串處理等）。

• 單條指令功能強(qiáng)：一條指令可能完成多個操作（如“從內(nèi)存加載數(shù)據(jù)并計算”）。

• 變長指令：指令長度不固定，可能占用多個字節(jié)。

• 應(yīng)用：x86架構(gòu)（Intel/AMD處理器）。

(2)RISC，即精簡指令集計算機(jī)。

• 指令數(shù)量少：通常只有幾十條簡單指令，每條指令功能單一。

• 單條指令功能簡單：每條指令僅完成一個基本操作（如“加法”或“內(nèi)存加載”）。

• 定長指令：指令長度固定（如32位或64位），便于解碼。

• 應(yīng)用：ARM、RISC-V、MIPS架構(gòu)。

(3)舉一個例子，下圖是實現(xiàn)這樣的乘法運(yùn)算：a = a * b。它需要4個步驟：讀出a的值、讀出b的值、相乘、寫結(jié)果到a。

• 使用CISC提供的乘法指令，只需要一條指令即可完成這4步操作。當(dāng)然，這一個指令需要多個CPU周期才可以完成。

  RISC則不提供“一站式”的乘法指令，需調(diào)用四條單CPU周期指令完成兩數(shù)相乘：內(nèi)存a加載到寄存器，內(nèi)存b加載到寄存器，兩個寄存器中數(shù)相乘，寄存器結(jié)果存入內(nèi)存a。

  
  

• 按照此思路，早期的設(shè)計出的RISC指令集，指令數(shù)是比CISC少些。后來，很多RISC的指令集中指令數(shù)反超了CISC。因此，應(yīng)該根據(jù)指令的復(fù)雜度而非數(shù)量來區(qū)分兩種指令集。當(dāng)然，CISC也是要通過操作內(nèi)存、寄存器、運(yùn)算器來完成復(fù)雜指令的。它在實現(xiàn)時，是將復(fù)雜指令轉(zhuǎn)換成了一個微程序，微程序在制造CPU時就已存儲于微服務(wù)存儲器。

  
  

• 一個微程序包含若干條微指令（也稱微碼），執(zhí)行復(fù)雜指令時，實際上是在執(zhí)行一個微程序。

  這也帶來兩種指令集的一個差別，微程序的執(zhí)行是不可被打斷的，而RISC指令之間可以被打斷，所以理論上RISC可更快響應(yīng)中斷。

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