深入淺出處理器（一）

        在嵌入式開發(fā)中，處理器有兩種：微控制器和微處理器。那么這兩種處理器有何區(qū)別呢？微控制器 = CPU + 片內(nèi)內(nèi)存 + 片內(nèi)外設(shè)；微處理器 = CPU。在以前嵌入式硬件資源很少時(shí)，它們的區(qū)別對(duì)于硬件工程師來(lái)說還是很大的。但是在現(xiàn)代的嵌入式中，它們的概念都差不多了。相對(duì)來(lái)說，微控制器具有成本低，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，常用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)；對(duì)于軟件工程師而言，微控制器和微處理器沒有任何區(qū)別。

        本系列博客內(nèi)容是根據(jù)狄泰軟件學(xué)院的《門徒計(jì)劃》中的 主線課程 相關(guān)內(nèi)容總結(jié)而來(lái)，狄泰技術(shù)交流群：199546072。

        下來(lái)我們來(lái)看看寄存器的分類：CPU 寄存器和外設(shè)寄存器。CPU 寄存器是指專用指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)運(yùn)算、變量處理以及參數(shù)傳遞；外設(shè)寄存器是指用于控制外設(shè)的行為和工作方式，寄存器值得配置需要根據(jù)芯片手冊(cè)完成。在處理器中關(guān)鍵寄存器：PC - 重新計(jì)數(shù)器（指令指針 IP）和 SP - 棧指針（Stack Pointer）。PC 程序計(jì)數(shù)器的特性，每執(zhí)行一條指令，PC 中的值就會(huì)發(fā)生變化，PC 時(shí)鐘保存下一條 CPU 要執(zhí)行的指令地址。SP棧指針的特性，始終指向?？臻g的頂端，實(shí)現(xiàn) LIFO 特性，保存中斷斷點(diǎn)、函數(shù)調(diào)用返回點(diǎn)以及 CPU 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等。我們來(lái)看看 PC 和 SP 的使用案例：函數(shù)調(diào)用。如下

        在函數(shù)調(diào)用的時(shí)候，PC 指向跳轉(zhuǎn)函數(shù)的地址處。在它執(zhí)行完跳轉(zhuǎn)函數(shù)的內(nèi)容后，接著又返回前面的函數(shù)中接著執(zhí)行代碼。那么它如何知道該返回到哪呢？此時(shí)便用到了 SP 棧指針。在 PC 進(jìn)行跳轉(zhuǎn)前會(huì)將此時(shí)的上下文信息保存到 SP 棧指針指向的棧上。當(dāng)執(zhí)行完跳轉(zhuǎn)函數(shù)的內(nèi)容后想要返回原來(lái)函數(shù)的地址時(shí)，此時(shí)便會(huì)利用 SP 棧指針進(jìn)行返回。bp 指針是用來(lái)保存 SP 棧指針的基地址的，當(dāng)保存了 PC 的上下文信息時(shí)，SP 將會(huì)向下移動(dòng)。

        下來(lái)我們來(lái)看看處理器的 IO 操作，處理器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信通過 IO 操作完成。IO 分為內(nèi)存映射 IO空間和獨(dú)立 IO 空間。內(nèi)存映射 IO 空間是指外設(shè)通過精密的硬件連接映射到處理器的地址空間，通過地址訪問的方式與外設(shè)進(jìn)行通信；而獨(dú)立 IO 空間是指獨(dú)立于地址空間，無(wú)法通過地址訪問外設(shè)，使用專用指令與外設(shè)進(jìn)行通信。從軟件工程師的角度來(lái)看，只需要對(duì)不同的 IO 端口讀寫就可以操作外設(shè)；讀寫 IO 端口時(shí)候的具體值和意義需要查詢具體的硬件手冊(cè)。那么硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是什么呢？如下

        通過具體的硬件設(shè)計(jì)，可以使得地址總線上的值在某個(gè)范圍時(shí)，片選信號(hào)為“真”，即：使能連接的設(shè)備，從而讀取相應(yīng)地址中的數(shù)據(jù)！這些都是硬件工程師關(guān)心的東西，我們只需要能看的懂就可以了。下來(lái)以具體設(shè)備的地址映射為例來(lái)進(jìn)行說明，地址為0xFFFF1234，如下

        我們看到低 16 位是通過與門來(lái)進(jìn)行連接的，也就是說，只有它們?nèi)珵?1 時(shí)才能接通。接下來(lái)看看處理器啟動(dòng)過程：1、處理器上電后，PC 寄存器固化了一個(gè)默認(rèn)值；2、PC 默認(rèn)值用于決定第一條執(zhí)行指令；3、第一條執(zhí)行指定隸屬于啟動(dòng)順序。如下圖所示

        在嵌入式的啟動(dòng)程序中，我們稱之為 BootLoader，它也是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一個(gè)程序（Not OS）。根據(jù)運(yùn)行階段，體積和功能的不同分為三個(gè)部分：a> BL0 - 固化于硬件中，用于初始化硬件，加載并運(yùn)行 BL1；b> BL1 - 存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)設(shè)備中，用于初始化主存，加載并運(yùn)行 BL2；c> BL2 - 存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)設(shè)備中，用于引導(dǎo)操作系統(tǒng)執(zhí)行。