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CPU 和 MCU 的區(qū)別

對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)來(lái)講，我們?cè)谌粘Ｖ薪佑|到概念都是 MCU ，MCU 和 CPU 的區(qū)別也就在于 MCU 集成了片上外圍器件，CPU 不帶外圍器件，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是 MCU 在芯片內(nèi)集成了 Flash 和 RAM 用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的在我們個(gè)人 PC 的體現(xiàn)就是硬盤(pán)和內(nèi)存條，因此兩者的區(qū)別只是在于外圍器件的集成與否，最本質(zhì)的工作原理兩者是互通的。

CPU 的組成部分

CPU 是由許多晶體管組成的電子部件，從功能方面上來(lái)看，CPU 內(nèi)部由寄存器，控制器，運(yùn)算器和時(shí)鐘四個(gè)部分組成，他們各自的功能如下：

• 寄存器：可以用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)等處理對(duì)象。

• 控制器：負(fù)責(zé)把內(nèi)存上的指令讀入寄存器，并根據(jù)指令的執(zhí)行結(jié)果來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。

• 運(yùn)算器：運(yùn)算器負(fù)責(zé)運(yùn)算送入運(yùn)算器的數(shù)據(jù)

• 時(shí)鐘：負(fù)責(zé)發(fā)出 CPU 開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)，CPU 在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)使下才能工作。

程序是如何被 CPU 執(zhí)行的

我們?cè)谶M(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)候，常用的一種語(yǔ)言是 C 語(yǔ)言，C 語(yǔ)言又被稱(chēng)之為高級(jí)語(yǔ)言，我們編寫(xiě)的高級(jí)語(yǔ)言在真正的進(jìn)入到 CPU 進(jìn)行執(zhí)行之前，還有很多個(gè)步驟需要完成，比較粗略的劃分是需要經(jīng)過(guò)：編譯 -> 鏈接 -> 生成可執(zhí)行文件三大步驟，比較細(xì)致地劃分就是下圖所示的過(guò)程：

根據(jù)上述流程圖我們可以知道，程序在進(jìn)入 CPU 執(zhí)行前，會(huì)得到一個(gè)可執(zhí)行程序，而這個(gè)可執(zhí)行文件內(nèi)包含的就是一系列指令和數(shù)據(jù)的集合，所以說(shuō)我們編寫(xiě)的程序本質(zhì)上也就是指令 + 數(shù)據(jù)的形式，既然有了能被 CPU 所識(shí)別的指令和數(shù)據(jù)，那么編寫(xiě)的程序也就可以在 CPU 里運(yùn)行起來(lái)了。

CPU 的工作流程

在細(xì)致的闡述 CPU 是如何工作的，我們先來(lái)看一張 CPU 的工作流程圖，圖片如下所示：

在上述所示的圖片里，我們可以看到這樣幾個(gè)信息，在虛線(xiàn)框外面的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在虛線(xiàn)框內(nèi)的指令寄存器，控制單元，寄存器組，邏輯運(yùn)算單元以及狀態(tài)寄存器，接下來(lái)就來(lái)闡述他們各自是怎么運(yùn)行的以及他們之間又是如何相互協(xié)調(diào)共同完成一個(gè)程序。

邏輯運(yùn)算單元和寄存器組

先從邏輯運(yùn)算單元看起，名字叫運(yùn)算單元，那顧名思義，它的功能就是運(yùn)算，既然是運(yùn)算那么就需要操作數(shù)和指令，具體如下圖所示：

上圖所示的 OP 代表的就是指令要執(zhí)行的操作，從圖中也可以看到邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)是來(lái)自寄存器組，當(dāng)然對(duì)于邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)也不總是來(lái)自寄存器組，只有在進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算的時(shí)候，才會(huì)從寄存器組里取得操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算之后，那就要有結(jié)果，所以邏輯運(yùn)算單元會(huì)輸出兩個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)是運(yùn)算之后的結(jié)果，一個(gè)是標(biāo)志位，這里的標(biāo)志位代表的是兩個(gè)操作數(shù)運(yùn)算之后的運(yùn)算結(jié)果是否得0，是否進(jìn)位，是否是負(fù)數(shù)，是否溢出這幾種標(biāo)志。
另一方面，寄存器組除了給邏輯運(yùn)算單元提供操作數(shù)之外，同時(shí)還充當(dāng)存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果的功能，示意圖如下：

也就是說(shuō)，寄存器組的功能除了可以給邏輯運(yùn)算單元提供操作數(shù)之外，還會(huì)存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果。

邏輯運(yùn)算單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

上述說(shuō)到，在進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算的時(shí)候，邏輯運(yùn)算單元會(huì)從寄存器組中取得操作數(shù)，那在進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的時(shí)候怎么辦呢，這時(shí)候，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就要發(fā)揮它的作用了，示意圖如下：

從上述圖片可以看到邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)一個(gè)是來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一個(gè)是來(lái)自寄存器組。在往數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里取操作數(shù)的時(shí)候，需要注意的是，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器并不是 CPU 的部分，那么訪問(wèn)存儲(chǔ)器的速度相比于訪問(wèn)寄存器的速度是要慢許多的。
在闡述寄存器組的時(shí)候，我們說(shuō)到寄存器組可以提供操作數(shù)，同時(shí)也能夠存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果，那對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，也是一樣的，它也能夠存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果。示意圖如下：

那寄存器組和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都能夠存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果，那兩者的區(qū)別是什么呢？筆者聽(tīng)到的最為通俗的一個(gè)解釋就是：把邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器組中就好比我們?cè)诳荚囎鰯?shù)學(xué)填空題的時(shí)候，會(huì)得到一些中間結(jié)果，就是說(shuō)這些結(jié)果并不是要填到試卷里的答案，但是是作為下一步運(yùn)算的條件，那我們就先把這個(gè)結(jié)果記錄到草稿紙上，這個(gè)草稿紙就相當(dāng)于我們的寄存器組，當(dāng)我們計(jì)算出最后的答案的時(shí)候，再將這個(gè)答案填到我們的試卷上，試卷就相當(dāng)于我們這里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。所以，用一句話(huà)來(lái)說(shuō)，就是，寄存器組是用來(lái)存儲(chǔ)中間結(jié)果的，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)最終結(jié)果的。

控制單元

上述我們說(shuō)邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)來(lái)源可能是寄存器組可能是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)位置可能是寄存器組也可能是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，那在實(shí)際程序運(yùn)行的時(shí)候，到底該采用哪一種方式呢，這個(gè)時(shí)候，就需要使用到控制單元來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)，示意圖如下：

從上述圖片我們可以看到從控制單元往下的各個(gè)線(xiàn)條分別指向了各個(gè)開(kāi)關(guān)，這里的空圈就代表的是一個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) ，也就是說(shuō)控制器將控制開(kāi)關(guān)往哪里閉合，從而決定了是往寄存器還是往數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里取得操作數(shù)。
在看圖中控制單元上面的部分，我們可以看到數(shù)據(jù)控制單元的數(shù)據(jù)來(lái)源是指令寄存器，所以說(shuō)控制單元接收的是指令，那么我們也就可以總結(jié)一下控制器具備的功能，如下：

• 指令解析：分析該指令需要執(zhí)行什么操作

• 確定數(shù)據(jù)流向：確定該指令用到的操作數(shù)來(lái)源和產(chǎn)生結(jié)果的去向

獲取指令

上述講到控制單元的是從指令寄存器中獲得指令的，那么指令寄存器的指令又從何而來(lái)呢，我們回到我們最開(kāi)始給出的那張示意圖：

從圖中可以看到指令是從指令存儲(chǔ)器中取得的，同時(shí)，我們思考程序要能夠正確的運(yùn)行，那么就需要使得指令有序的得到運(yùn)行，而不是胡亂地送到指令寄存器中，那么 CPU 又怎么保證指令能夠有序的得到運(yùn)行呢，這里就需要使用到 CPU 的 PC 指針寄存器，PC 指針寄存器的功能是存放下一條待執(zhí)行指令的地址，當(dāng)?shù)刂繁蝗〕鲋?，PC 指針寄存器將更新，指向下一條即將執(zhí)行的指令，因此 PC 指針寄存器的存在也就保證了指令的有序執(zhí)行。

總結(jié)

上述我們把 CPU 工作涉及的部件單獨(dú)拆開(kāi)進(jìn)行了闡述，現(xiàn)在我們將其整合，所以 CPU 的工作流程是根據(jù) PC 指針寄存器存儲(chǔ)的下一條即將執(zhí)行的指令的地址，使得指令存儲(chǔ)器中的指令能夠有序的進(jìn)入指令寄存器，然后，控制單元從指令寄存器中取得相應(yīng)的指令，并對(duì)其進(jìn)行指令解析，判斷當(dāng)前指令要執(zhí)行的操作，以及根據(jù)指令解析的內(nèi)容控制邏輯運(yùn)算單元操作數(shù)的來(lái)源和邏輯運(yùn)算單元運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)位置，從而完成指令要求 CPU 執(zhí)行的運(yùn)算。

參考資料：
[1] 學(xué)堂在線(xiàn)慕課課程《ARM微控制器與嵌入式系統(tǒng)》

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