[arm微控制器与嵌入式系统] 从CPU到MCU

CPU是计算机/微控制器的核心，进行算数/逻辑运算

MCU？

MicroController Unit 微控制器是一个完整的计算机系统，在单个芯片上包含了处理器、存储器和所有的外设IO模块。

MCU包含了什么？

• CPU
• Input/Output interface
• Peripherals
• RAM 用于数据存储
• ROM 用于程序存储， EPROM, EEPROM或 Flash Memory

MCU的特点

• 体积小
• 低成本
• 低功耗
• 高可靠性
• 大量型号和设计方案

ARM处理器的分类

从ARM v7之后，ARM处理器按照应用特征分类，分为以下三类：

• A系列 —— Application Processor —— 高性能多媒体<手机等>
• R系列 —— Real-time Controller —— 实时响应<无人机等>
• M系列 —— Micro-Controller —— 嵌入式

微控制器的内部结构

CPU

上图中右边就是之前概念CPU的实际表达ALU 运算逻辑单元。

运算逻辑单元完成逻辑和数学的运算

两个输入数据 —— A和B
一个指令 —— OP，要对A和B做什么运算
输出数据 —— Result和Flags（标志位）

怎么理解标志位
如果给ALU下面几种运算

A+B = C
如果这个ALU是一个4 bit的运算单元，则当计算加法时，可能会出现C大于15（0x1111），这时会出现溢出标志位用来表示计算结果是否溢出。

A>B ?
CPU在做比较的话，实际上是做了A-B的运算，而我们想要的结果实际上就是负数标志，同样也是在标志位中体现。

问题：ALU计算得到的结果要存在哪里呢？ —— 寄存器

寄存器组

寄存器是由电路实现的保存数据的单元。

在CPU中，有一个寄存器就是用来专门保存ALU计算后的标志位，每条指令所能影响的状态位是不一样的，这类寄存器被称为程序状态寄存器（PSR寄存器），还有被称为CCR寄存器，

这个寄存器中到底要存哪些状态信息？

不同的芯片，对应的状态信息也有所区别，但是一般而言都要包括以下几个标志：

• Z 上一个运算得到了0的结果
• N 上一个运算得到了一个负数
• O 上一个运算溢出了
• C 上一个运算出现了进位
  
  在CPU的设计当中，下图中这样的寄存器可以有若干个。
  
• 寄存器用于临时保存/获取操作数
• 任何CPU都包含了若干个通用/专用寄存器
• 寄存器的数目和位宽是衡量CPU的重要指标

CPU内部的寄存器个数有限，其实是无法满足程序的要求，因此出现了下图的结构

上图中的Data Memory不再是CPU的组成部分，对Memory的访问要比对寄存器的访问慢很多

地址与存储器的关系
如果要访问CPU外部的Data Memory，如何实现？
对于存储器，其结构如下：

上图中的0x0003这个地址存的数据就是0x44

类比一下，一定意义上来说，程序的存储也是这个概念。

指令集

堆栈

栈是一段连续的存储器空间
堆栈按照后入先出的工作方式
只能从/向堆栈的顶部加入或取出数据

按照这个逻辑，我们现在还缺少一个片外的存储器，用来给堆栈用。我们需要有一个类似指针的东西，指明从某个位置开始的存储器作为堆栈来使用。

堆栈空间和变量空间是使用同一端存储空间

• 变量空间从低地址向搞地质划分（例如C语言编程时声明的全局变量）
• 堆栈空间从高地址向低地址增长

这就带来一个新的问题：
存储器的空间是有限的，当某个时间点，堆栈达到一个冲突点的时候，出现了堆栈溢出。

堆？
堆是一个进程开启之后，系统分配给它的空间，一般这个空间是全局的，系统中所有动态分配的对象（比如指针）都是在这个空间上分配的。
堆里的数据是有数据结构的，其空间占用是不连续的。在没有OS的嵌入式系统中，通常不使用堆。

通常，我们把上图中红色框中的寄存器称为寄存器组，也可以称为编程模型。

中断

中断与轮询
轮询：

• 周期连续地检查外部事件是否发生
• 消耗大量CPU的处理事件
• 需要和其他功能代码结合
• 由于CPU需要处理其他事件，可能丢失关键事件
  中断：
  用硬件来判断是否发生外部事件并通知CPU
  专用的中断服务程序来处理事件

中断是一个需要CPU立即处理的内部或外部事件

内部事件

• 定时器时间到
• AD变换结束
• …
  外部事件
• 按键动作
• 发生外部通信

中断：

• 适用于处理响应要求非常高的事件
• 适用于处理持续时间非常短的事件
• 适用于低功耗的应用
• 程序设计复杂

中断允许/禁止

• 全局中断控制

时钟/复位

存储器

外设

ARM体系结构

32bit MCU Register File （ARM Cortex M）