单片机、CPU、指令集和操作系统的关系

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1> 首先讨论各种单片机与操作系统的关系

说到单片机，大家第一时间想到的应该是51单片机，对吧。不错，更高级一点的AVR，把他称为单片机，我们也还觉得可以接受。那么再高级一点的ARM7，8086，80386，Core i3，Athlon 等等我们更习惯称他们为CPU，因为学习计算机原理的时候都是这么叫的，但按照单片机的定义，他们也是归属于单片机。这也不怪大家，中国的教育都是这样，只注重告诉你是什么，而不告诉你他们之间的联系。上述几种单片机或者芯片（如果你还是觉得把core i3叫做单片机你不习惯的话）在原理上都是一样，即都是有运算器 控制器 寄存器构成的，不同之处在于它们的硬件电路实现不同，个数不同，功耗不同，计算能力不同，但都提供相同的基本功。OK，终于让cpu找到了组织，那么就介绍为什么有的单片机要操作系统，有的在我们学习的过程中压根就跟操作系统不挨边。

51/AVR单片机  在学习他们的时候，都是先介绍它们有哪些资源——有几个寄存器，有几个时钟等，然后就是怎么用汇编，用C或者是C与汇编混合编程。这里我们用的语言都是可以直接操作硬件资源的，因此我们可以自己决定什么时候使用哪个寄存器，什么时候将寄存器内容写到辅存储器中。

ARM单片机 在学习它的时候，我们可以给他搭载操作系统，如MicroC/OS，iOS X, Android或者其他定制的linux操作系统，但有时我们也经常不让它搭载操作系统，而是直接像使用51单片机那样来操作它。

Core i3 / Athlon单片机（或者CPU，如果你还是不喜欢用单片机来形容这么牛逼的硬件） 你几乎没有听说过身边谁会在这种单片机上开发应用（如果有，一定要引荐我认识一下哦）。因为在这种单片机上开发的应用有一个很牛逼的名字——操作系统！ 由于这种单片机提供的资源太多，能干的活太多，我们需要有一个专门的程序来负责管理它，从而避免对相同的功能重复开发。这样我们就可以从对硬件编程中解放出来，更专注于应用层面的开发。从某种意义上来说，操作系统也就是一个应用程序而已，只不过他有点特别。

一般这种情况下，打个比方会比较好——单车和汽车。单车很简单，我们对它的构成及零部件也很熟悉，链条掉了，我们也完全能够应付。这就好比51单片机，资源不多，我们完全能够hold住。相较而言，汽车则复杂很多，有减速系统，刹车系统，电子系统，空调系统等等，但是我们并不需要清楚他们的硬件工作原理，我们之需要知道按那个开关，踩那个踏板就好了。这就好比单片机上的操作系统，它不需要我们清楚硬件的构造，想要实现功能，直接调用系统提供的API就可以了。 在我们双脚不停的蹬着踏板，自行车就前进这个动作中，我们是清楚的知道这其中各个部件的运行原理过程的；但如果你是踏着油门，汽车就跑起来，我觉得大部分人都不了解其中涉及到了哪些部件，以及各个部件的原理的。但这不妨碍我们使用，不是吗。

 

2> cpu与指令集的关系

cpu依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一些列与其硬件电路相配合的指令系统，或者说某款cpu的硬件设计其实就是针对某个指令集的一种硬件实现。指令集也就是所谓的目标代码（或称为机器代码，是可以直接在CPU上运行的代码）可以看作是要求cpu对外提供的功能，某款CPU的设计肯定是朝着某个指令集来的。所以，不同的cpu架构，也表示这他的指令集要么较之前的指令集有所拓展或者就是实现了一种全新的指令集。指令集中的一条指令，就是让cpu完成一系列的动作，而该动作的完成则表明了某种运算的完成。一个功能可能需要一条或几条指令来实现。比如汇编的MOV或者LD语句就可能对应着几条cpu指令。

下面介绍几种常见的CPU架构与指令集的对应关系（所谓架构是指硬件电路的实现）：

intel X86架构CPU可能实现了多个指令集x86，x86-64，MMX，SSE，SSE2，SSE3，SSSE3 ，而这些指令集中的指令让cpu完成的动作都比较复杂，所以也称为CISC

AMD amd64架构的cpu 兼容了x86指令集还拓增了3D-Now!指令集，用于加强对3D显示的支持。

ARM ARMv1~ARMv7架构的cpu实现了Thumb指令集和ARM指令集。这些指令集中的一条指令让cpu完成的动作都比较简单，所以也称为RISC指令集

 

3> 指令集与操作系统的关系

这里要重新提及一下之前讲到的两个概念：指令集——就是机器代码；操作系统——就是应用程序

首先我们要知道计算机之父冯-诺伊曼说计算机只能运行在二进制上。所以不论是操作系统还是普通的应用程序最终都得转化到二进制代码才能够被cpu所处理。而用高级语言编写的普通应用程序都必须经过编译器编译后成为二进制代码（指令）才能运行。而不同的cpu所实现的指令集不同，所以不同的指令集对应的编译器也不尽相同，编译器不同，相同的高级语言程序经过编译后所得到的二进制代码也不同。这就引出了“移植”和“跨平台”两个概念。OK，重新捋一下：cpu架构-指令集-编译器-程序 环环相扣，紧密联系。所以你就会听到说Windows操作系统只能够运行在X86架构的CPU上，不能运行在Power 或 ARM 上，因为指令集不同，又所以就有了“Wintel”联盟。所以你也可以看到有的编译器是有硬件厂家提供的，比如Intel就提供C和C++的编译器，这样编译出来的程序就能更好的利用硬件的性能。那为什么又会听到linux可以运行在不同架构的CPU上呢？那是因为linux是开源的，因此就可以将它移植到不同的CPU平台上，然后在用相应的编译器编译，就得到了可以在该CPU上运行的二进制代码了。而Windows是封闭的，得不到源代码，而MS自己又没有移植到别的CPU平台上的打算，所以当然就只能在X86上运行了。（BTW，X86也是性能最好的CPU之一，而Windows对性能要求较高，所以MS当然也就不愿意移植了）

4>CPU的指令分两类

CISC是英文“Complex Instruction Set Computer”的缩写，中文意思是“复杂指令集”，它是指英特尔生产的x86（intel CPU的一种命名规范）系列CPU及其兼容CPU（其他厂商如AMD,VIA等生产的CPU），它基于PC机(个人电脑)体系结构。这种CPU一般都是32位的结构，所以我们也把它成为IA-32 CPU。（IA: Intel Architecture，Intel架构）。CISC型CPU目前主要有intel的服务器CPU和AMD的服务器CPU两类。
RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的缩写，中文意思是“精简指令集”。它是在CISC(Complex Instruction Set Computer)指令系统基础上发展起来的，有人对CISC机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20％，但在程序中出现的频度却占80％。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使处理器的研制时间长，成本高。并且复杂指令需要复杂的操作，必然会降低计算机的速度。基于上述原因，20世纪80年代RISC型CPU诞生了，相对于CISC型CPU ,RISC型CPU不仅精简了指令系统，还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”，大大增加了并行处理能力（并行处理并行处理是指一台服务器有多个CPU同时处理。并行处理能够大大提升服务器的数据处理能力。部门级、企业级的服务器应支持CPU并行处理技术）。也就是说，架构在同等频率下，采用RISC架构的CPU比CISC架构的CPU性能高很多，这是由CPU的技术特征决定的。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。RISC指令系统更加适合高档服务器的操作系统UNIX，现在Linux也属于类似UNIX的操作系统。RISC型CPU与Intel和AMD的CPU在软件和硬件上都不兼容。