【微处理器系统原理与设计应用入门】典型的微处理器及系统

news2024/11/14 15:04:54

一. 基于微处理器的系统结构

首先明确什么是处理器？

我们在设计一个系统完成一个功能时，必不可少的一个环节就是信息处理，我们人脑处理信息是依靠神经系统传递神经冲动，而对于机器而言需要指令来完成信息处理，所以一个类似人脑的可以读取指令代码和执行代码的数字处理单元就称为处理器。

同理保存处理程序和处理结果数据的存储设备称为存储器，将外部的输入和输出设备统称为外设。

而信息处理必须要有数据的输入和输出，在外设与处理器之间需要交换的数据就存储到了寄存器中，通常把为某外设服务的多个寄存器构成的部件称为外设接口，对外设操作的实质就是对接口的寄存器进行操作。

结合下图具体理解，存储器（数据存储器和指令存储器），外设还有微控制器共同构成数字处理系统，对于输入的信息进行程序化的处理。

二. 典型的微处理器及系统

当前最为流行的处理器主要有两类，一类是用于PC，服务器等机器的Intel处理器，另一类是用于嵌入式系统，移动互联设备等的ARM处理器。Intel指令集为CISC（复杂指令集）架构，ARM指令集为RISC（精简指令集）架构。而在近年来开源RISC-V异军突起，成为国产之光

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/666523250

https://zhuanlan.zhihu.com/p/136037354

下面就将具体谈一谈主流的处理器和它们的前世今生。

首先我们平常所说的X86，ARM芯片，都是指的芯片的指令集架构，而指令集是软件和硬件之间的接口。

使用不同的指令集代表着不同的CPU，不同的CPU处理方式不同。

从指令集的角度来看提高CPU效率主要有两种方式，一是降低每个程序所需要的指令数，二是通过执行每条指令需要的指令周期数。CISC偏向于第一种思路通过复杂的指令集代替多行简单指令，而RISC

初期CISC指令集占据主要市场，但是随着计算机科学的发展，人们发现 CISC指令集的复杂性导致处理器的性能下降，需要一种更简单，更高效的指令集，RISC应运而生。

但是由于以X86为主的CISC被Intel和AMD闭源使用因此授权费用很高，二十世纪八十年代，伯克利和哈佛的相关学者联合简化了CISC，诞生了RISC并开源使用。伟大，无需多言！

RISC-V 这个名字，代表了 UC Berkeley 大学设计的第五代RISC芯片。同时罗马数字"V"也暗示了"变种（Variations）"和"向量（Vectors）"，以支持各种体系结构研究，包括各种数据并行加速器，也是这个 ISA 设计的明确目标。

（1）相比X86和ARM架构的指令多达数千条，而RISC-V架构仅需100余条指令。此外，简洁的架构方案还可有效减少错误发生（毕竟CPU流片成本是极高的）。

（2）用户能够灵活选择不同的模块组合，来实现自己定制化设备的需要，比如针对小面积低功耗嵌入式场景，用户可以选择RV32IC 组合的指令集，仅使用Machine Mode(机器模式)；而高性能应用操作系统场景则可以选择RV32IMFDC 指令集，使用 Machine Mode(机器模式)与User Mode()户模式)两种模式。

同时RISC-V也面临着挑战与完善，比如目前生态不完整，商业合作模式不健全等问题。

但是整体上适合用于嵌入式系统、物联网设备、移动设备等低能耗场景，拥有非常广泛的市场前景，在中国政府芯片自主可控战略的推动下，许多中国企业已开始研发和生产基于RISC-V架构的芯片，比如华为的麒麟处理器就采用了RISC-V指令集架构，RISC-V架构将逐渐成为中国芯片设计和制造领域的重要一步，帮助中国在芯片开发和生态建设方面取得成就。

对于ARM处理器而言，ARM11之后的处理器家族采用Cortex命名，并针对高，中，低分为A,R,M三大处理器。高端手机用Cortex-A，微控制器用Cortex-M系列，需要较高性能或者实时处理性能的系统用Cortex-R系列。