Linux驱动开发之 二 (那些必须要了解的硬件知识 之 处理器篇)

Linux驱动开发之 二 (那些必须要了解的硬件知识 之 处理器篇)

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老谢一直以“软硬通杀”的标准来要求自己。搞软件的工程师，有必要了解底层硬件的基本原理；搞驱动的工程师，则必须知道底层硬件的工作原理；而搞最底层的硬件工程师，同样需要了解一些基本的软件知识。

也许有的人会不同意这个看法，他们认为一个优秀的系统，最理想的境界是应用层和底层硬件完全隔离，即应用层的开发完全脱离硬件基础。这一点老谢也认同，但是我们讨论的是工程师本素质问题，而不是嵌入式系统开发问题。作为工程师的基本素质，老谢坚持认为：软硬互通，有所专向，或软或硬，方为王道。

那么，在Linux驱动开发学习过程中，有哪些硬件知识是我们必须要知道的呢？ 老谢计划用几个篇幅逐一地和大家一起学习。

而，今天的主角是处理器，以它作为硬件知识篇的开始。

一、搞清MPU和MCU的关系

MPU，Micro Process Unit，微处理器；
MCU，Micro Control Unit，微控制器。

MPU通常代表一个CPU（中央处理器），而MCU则强调把CPU、存储器、外围电路集成在一颗IC内部。

定位不同的产品（MCU）可能包含共同的CPU核，但是集成的扩展电路则不一样，取决于这颗MCU的功能定位或市场定位。

一个典型的MCU框架图如下：

目前比较主流的CPU核

1. Advanced RISC Machines的ARM
2. Silicon Graphics的MIPS
3. IBM和Motorola的PowerPC

ARM的功耗低，在手持设备、通信设备中应用最为广泛。

CPU的体系架构，分为两类：冯.诺依曼结构和哈弗结构。从指令集的角度，CPU又可分为RISC精简指令集计算机和CISC复杂指令集计算机。CSIC 强调增强指令的能力、减少目标代码的数量，但是指令复杂，指令周期长；而RISC强调尽可能减少指令集、指令单周期执行，但是目标代码会更大。ARM、MIPS、PowerPC等CPU内核都采用了RISC指令集。目前，RISC和CSIC的融合非常明显。

我们了解这些概念即可，如需展开讨论，请百度。

二、DSP数字信号处理器

数字信号处理器（DSP）针对通信、图像、语音和视频处理等领域的算法而设计。它包含独立的硬件乘法器。DSP的乘法指令一般在单周期内完成，且优化了卷积、数字滤波、FFT（快速傅立叶变换）、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。

DSP分为两类，一类是定点DSP，一类是浮点DSP。浮点DSP的浮点运算用硬件来实现，可以在单周期内完成，因而其浮点运算处理速度高于定点DSP。而定点DSP只能用定点运算模拟浮点运算。

MCU和DSP也有相互融合以取长补短的趋势，如数字信号控制器（DSC）即为MCU+DSP。

三、专用集成电路ASIC

对于某些应用场合，使用ASIC（专用集成电路）往往是低成本且高性能的方案。ASIC专门针对特定应用而设计，不具备也不需要灵活的编程能力。使用ASIC完成同样地功能往往比直接使用CPU资源或CPLD（复杂可编程逻辑器件）/FPGA（现场可编程门阵列）更廉价、高效。

最后，处理器的分类框图如下图

在实际项目的硬件方案中，往往会根据应用的需求选择通用处理器、数字信号处理器、特定领域处理器、CPLD/FPGA 或ASIC 之一的解决方案，在复杂的系统中，这些芯片可能会同时存在，协同合作，各自发挥自己的长处。

老谢特别感谢宋宝华老师对Linux驱动的知识分享分析。

itxiebo
20160427