MCU基础

目录

1.CPU的基本结构和运行机制

1.1 ALU

1.2 Register Files

1.3 Control Unit

2.堆栈的概念

3.ARM体系结构

3.1 ARM的发展过程

3.2 ARM Cortex M Register Files（Programmer's Model）

4.中断

4.1 中断的概念和机制

4.2 中断的允许和禁止、现场保护

4.3 中断子程序和函数调用的区别

4.4 中断向量表

4.5 中断优先级和中断嵌套

5.复位、时钟、存储器、总线

5.1 复位

5.2 时钟

5.3 存储器

5.4 总线、外设

6.小结

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1.CPU的基本结构和运行机制

一个基本的MCU的结构图如下所示。主要由处理器CPU，存储器Memory，总线Bus和外设Peripheral组成。

CPU主要包含逻辑运算单元ALU，寄存器组register files，控制单元control unit；有些CPU还有浮点运算单元，MMU，Cache Management。一个典型的CPU如下图所示。

1.1 ALU

ALU由四个要素组成：操作数、运算、运算结果和标志位。运算结果和标志位往哪里存呢？寄存器。存放标志位的寄存器有个特殊的名字叫程序状态寄存器（Program Status Register，PSR；有的叫条件码寄存器Condition Code Register，CCR）。PSR的每一位称为状态位，且代表的含义不同，比如溢出标志位等。每执行一条指令，相应的状态位都会进行更新。每条指令影响的状态位都是不一样的，需要查芯片手册。

1.2 Register Files

寄存器用于临时保存和获取操作数；任何CPU都包含若干个通用/专用寄存器；寄存器的数目和宽度是衡量CPU的重要指标。ALU的操作数和运算结果可以来自寄存器或者数据存储器（对个人PC而言是内存或者硬盘，对MCU而言，是CPU以外的存储部分）

1.3 Control Unit

那是什么让上面的一切自动的运行呢？-Control Unit。控制单元的主要作用：1、指令解析：分析该指令需要执行何种操作；2、数据流向：确定该指令用到的操作数来源和产生结果的去向。简言之就是，控制单元将一条指令解析为对ALU，Register，Memory的控制，来明确做什么运算，数据从哪来，到哪去。

那又一个问题来了，控制单元上的指令是从哪里来的？程序是指令的有序集合，指令和数据一样，也是保存在存储器当中，这些指令序列“依次”进入CPU执行。下一条待执行的指令地址保存在PC寄存器（Program Counter，程序计数器）中。如果发生函数调用或者中断，返回的地址从何而来呢？这就要引出另一个概念：堆栈。

2.堆栈的概念

如何保存返回地址呢？一开始想到的办法就是设计返回地址寄存器，但是如果发生嵌套调用的话，会出现寄存器不够用。于是设计了一种机制：栈（能够保持数据的顺序，后入先出，覆盖并不是销毁）。那栈都有哪些用途呢？

堆栈指针寄存器（Stack Point，SP）

堆栈溢出。有时候，电脑出现的蓝屏可能是堆栈溢出或者是越界访问，PC指向了存储器一段莫名其妙的空间，并试图取出值来运行，程序跑飞了。对操作系统而言，可能认为是越界访问，嵌入式系统可能认为是非法指令，无法解释，程序就复位了。

学习C语言感觉不到堆栈，因为C语言的函数调用，参数传递等都是编译器帮你隐性地使用了堆栈。用会骗语言做中断编程时会接触到这个概念。

写道这里，再回头看看CPU的结构，自己在脑子里过一遍，基本上就能知道一段程序是怎么被CPU执行的了！

CPU一直在发展，从8位到16位、32位（ARM Cortex M，PowerPC，ColdFire）、64位；时钟的频率也越来越高，从Hz到MHz、GHz，频率越高，执行每条指令的时间就越短。学习CPU重点关注两点：1、CPU由哪些寄存器是编程的对象；2、ALU对应的指令集，即有哪些指令，代表的含义是什么

3.ARM体系结构

3.1 ARM的发展过程

ARM公司只做CPU设计，采用出售IP的方式运营，半导体制造商无需自己设计CPU。

3.2 ARM Cortex M Register Files（Programmer's Model）

4.中断

4.1 中断的概念和机制

1、主程序中设置号中断发生的条件（Gobal IE，IF）

2、按下键，电路以信号的形式通知CPU，中断发生了

3、CPU自动调用该中断服务子程序。

需要说明的是，中断总开关打开后，它可能在任意一个时间点上调用。

4.2 中断的允许和禁止、现场保护

现场保护：考虑到效率，压有限个寄存器入栈，如果编程人员用到更多，可以自己手动压栈。

4.3 中断子程序和函数调用的区别

函数调用：返回地址

中断子程序：返回地址和之前压入栈的寄存器的值。

4.4 中断向量表

当一个中断发生时，CPU如何找到中断服务子程序并执行呢？--中断向量表。

4.5 中断优先级和中断嵌套

5.复位、时钟、存储器、总线

5.1 复位

5.2 时钟

5.3 存储器

1G(B) = 1024M(B)；1M = 1024KB；1KB=1024B；1Byte = 8bit；

5.4 总线、外设

6.小结

MCU上电过程：给SP指针赋值，将开发工具生成的入口函数代码第一条指令的地址给PC，最后一条指令Jump to main函数。