[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

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CPU

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上图中右边就是之前概念CPU的实际表达ALU 运算逻辑单元。
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运算逻辑单元完成逻辑和数学的运算
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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
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    在CPU的设计当中,下图中这样的寄存器可以有若干个。
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  • 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
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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:
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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。
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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。
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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。

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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。

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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)
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