單片機架構(gòu)和指令集的知識

小小的單片機，看似很簡單，實際非常復(fù)雜。

今天就給大家科普一下單片機架構(gòu)和指令集的知識。

指令集

1、指令集的體現(xiàn)

指令集，就是CPU中用來計算和控制計算機系統(tǒng)的一套指令的集合。而指令集的先進與否，也關(guān)系到CPU的性能發(fā)揮，它也是CPU性能體現(xiàn)的一個重要標志。

指令集也作為一種標準規(guī)范，用于規(guī)范芯片設(shè)計工程師及編譯器開發(fā)工程師：

因為芯片與IDE都遵循相同的指令集標準，所以高級語言編寫的程序經(jīng)指定編譯器編譯后能直接運行在對應(yīng)的CPU上，反之則不能運行。

如arm-linux-gnueabihf-gcc編譯得到的程序并不能運行在X86 CPU上運行：

2、指令集的分類

從現(xiàn)階段的主流體系結(jié)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集和精簡指令集兩部分：

（1）復(fù)雜指令集

復(fù)雜指令集側(cè)重于硬件執(zhí)行指令的功能性，其對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。

復(fù)雜指令集的特點是指令長度不固定，執(zhí)行需要多個周期；其有很多用于特定目的的專用寄存器；處理器能夠直接處理寄存器中的數(shù)據(jù)。

復(fù)雜指令集主要應(yīng)用于電腦的處理器，我們的個人電腦處理器用的是X86：

（2）精簡指令集

精簡指令集側(cè)重于結(jié)構(gòu)簡單、處理速度更加快速上。

精簡指令集的特點是：一個周期執(zhí)行一條指令，指令長度固定，通過簡單指令的組合實現(xiàn)復(fù)雜的操作；其寄存器多是通用寄存器。精簡指令集主要用于嵌入式處理器上。

我們比較熟知的就是ARM指令集、MIPS指令集及RISC-V指令集。

① ARM

其中ARM指令集是目前用得最多的。ARM家族占比所有32位嵌入式處理器的75%，成為占全世界最多數(shù)的32位架構(gòu)。

ARM處理器廣泛使用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，低耗電節(jié)能，非常適用移動通訊領(lǐng)域。

消費性電子產(chǎn)品，例如可攜式裝置（PDA、移動電話、多媒體播放器、掌上型電子游戲，和計算機），電腦外設(shè)（硬盤、桌上型路由器），甚至導(dǎo)彈的彈載計算機等軍用設(shè)施。

隨著處理器的不斷發(fā)展，應(yīng)用需求不斷提高，ARM指令集也發(fā)展了很多個版本：

ARM V1：最初版本，采用的地址空間是26位的，尋址空間是64MB，這個版本沒有商業(yè)化。

ARM V2：增加了乘法指令及支持協(xié)處理器指令。

ARM V3：實現(xiàn)了32位的地址空間。

ARM V4：增加了半字指令的讀取和寫入操作，增加了處理器系統(tǒng)模式，增加Thumb指令集。

ARM V5：增加了DSP指令、JAVA指令。

ARM V6：增加60多條SIMD指令。

ARM V7：采用了NEON技術(shù)，將DSP和媒體處理能力提高了近4倍。并支持改良的浮點運算。

ARM V8：增加64位指令集、寄存器數(shù)量增加到31個。

② MIPS

在設(shè)計理念上MIPS指令集強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設(shè)計。

其指令系統(tǒng)經(jīng)過通用處理器指令體系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令體系MIPS16、MIPS32到MIPS64的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。

在嵌入式方面，MIPS K系列微處理器是僅次于ARM的用得最多的處理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器），其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。

③ RISC-V

RISC-V(讀作“RISC-FIVE”)是基于精簡指令集計算(RISC)原理建立的開放指令集架構(gòu)(ISA)。

RISC-V指令集的設(shè)計考慮了小型、快速、低功耗的現(xiàn)實情況來實做，但并沒有對特定的微架構(gòu)做過度的設(shè)計。

主流的架構(gòu)為x86與ARM架構(gòu)為了能夠保持架構(gòu)的向后兼容性，其不得不保留許多過時的定義，導(dǎo)致其指令數(shù)目多。而RISC-V架構(gòu)則能完全拋棄包袱，從輕上路。

RISC-V基礎(chǔ)指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令總共幾十條指令。

RISC-V特點：

完全開源：開源采用寬松的BSD協(xié)議，企業(yè)完全自由免費使用，同時也容許企業(yè)添加自有指令集拓展而不必開放共享以實現(xiàn)差異化發(fā)展。

架構(gòu)簡單：RISC-V基礎(chǔ)指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令總共幾十條指令。

易于移植：RISC-V提供了詳細的特權(quán)級指令規(guī)范和用戶級指令規(guī)范的詳細信息，使開發(fā)者能非常方便的移植linux和unix系統(tǒng)到RISC-V平臺。

模塊化設(shè)計：RISC-V其不同的部分以模塊化的方式組織在一起，用戶能夠靈活選擇不同的模塊組合，來實現(xiàn)自己定制化設(shè)備的需要。

完整的工具鏈：芯片設(shè)計公司不再擔(dān)心工具鏈問題，只需專注于芯片設(shè)計，RISC-V社區(qū)已經(jīng)提供了完整的工具鏈。

阿里巴巴全資的半導(dǎo)體平頭哥半導(dǎo)體有限公司也有設(shè)計出基于RISC-V的芯片，如：

ARM處理器微架構(gòu)

指令集是一個很深層次的概念，在這之上我們還需要了解一個與此相關(guān)的概念：微架構(gòu)（Microarchitecture），上面RISC-V的介紹中也有提到這個概念。

微架構(gòu)的概念其實我們并不陌生，我們來看一個框圖：

這是STM32F103系列芯片的一個框圖。

微架構(gòu)其就是我們常說的xxx內(nèi)核（注：內(nèi)核有兩種概念，一種是硬件層面的概念，另一種是軟件層面的概念。這里指的是硬件層面的概念），比如STM32F103的內(nèi)核是ARM Cortex-M3內(nèi)核就是一種微架構(gòu)。

一套指令集只能設(shè)計出一種微架構(gòu)？

顯然不是的。針對于不同的應(yīng)用場景如高性能、低功耗等不同的場景，可以基于同一套指令集設(shè)計出不同的微架構(gòu)。

比如我們嵌入式中接觸得比較多的應(yīng)該是基于ARMV7指令集的Cortex系列內(nèi)核：

ARM公司授權(quán)方式？

ARM公司自己并不生產(chǎn)芯片，也不賣芯片，而是靠IP授權(quán)盈利。其主要有以下三種授權(quán)方式：

1、架構(gòu)層級授權(quán)

架構(gòu)層級的授權(quán)是芯片廠商在付費獲得指令集授權(quán)之后，可以基于該指令集設(shè)計自己的內(nèi)核。

架構(gòu)層級方面，只有幾個手機方面的芯片廠商可以玩得起。目前只有幾個頭部芯片能獲得ARM架構(gòu)層級的授權(quán)：

蘋果：Swift架構(gòu)。

高通：Krait微架構(gòu)、Scorpion微架構(gòu)。

三星：貓鼬微架構(gòu)。

華為：無。采用公版ARM微架構(gòu)。

其中，高通、三星曾采用ARM公版+自研架構(gòu)的組合，但現(xiàn)在基本放棄自研架構(gòu)，采用公版ARM微架構(gòu)。蘋果是目前是唯一一家能跟ARM這種商業(yè)模式做到五五開。

之前有一個疑問，蘋果實力這么強了，為何不自研指令集完全擺脫對于ARM的依賴？

網(wǎng)上查了一下，查到一些回答：

1、完全自研，你沒辦法保證上下游的開發(fā)者也有設(shè)備可用，沒可用設(shè)備的話，誰來給開發(fā)軟件？

2、完全自研，所有核心技術(shù)都得很多更專業(yè)的人來做，人力成本可能會比授權(quán)費還高。

3、ARM和蘋果的淵源很深，當(dāng)年蘋果是ARM的創(chuàng)始股東之一，后來蘋果陸續(xù)賣掉了ARM的股票，再后來蘋果基于ARM的架構(gòu)開始大搞自研芯片。其實蘋果現(xiàn)在就是在自研，可以理解為ARM的花式魔改。

華為目前在手機CPU方面現(xiàn)在并無自研微架構(gòu)。華為麒麟芯片用的還是公版的ARM微架構(gòu)，但現(xiàn)在已經(jīng)被卡脖子了（停止內(nèi)核層級授權(quán)），這樣的形式不太樂觀。

雖然華為擁有ARMV8指令集永久授權(quán)，但之前并沒有基于ARMV8自研出自己的微架構(gòu)，可能已經(jīng)在研發(fā)中了。

雖然在手機CPU方面還沒有自研微架構(gòu)，但已有自研云端AI芯片“昇騰（Ascend ）”系列，基于自研的達芬奇架構(gòu)。不知道自研NPU微架構(gòu)與自研CPU架構(gòu)的難度差距有多大，但還是希望華為能早點自研出手機CPU微架構(gòu)。

就算能成功自研出了自己的CPU微架構(gòu)，華為的路也還是不好走啊。

假設(shè)之后研發(fā)成功了，也還需要長期的驗證才敢投入使用，畢竟華為手機市場那么大，搭載自研微架構(gòu)處理器地手機一旦翻車，損失巨大。另外，這只是擁有ARMV8指令集的永久授權(quán)，之后如果指令集更新迭代了，技術(shù)豈不是又要落后別人好幾代了~

2、內(nèi)核層級授權(quán)

內(nèi)核層級的授權(quán)是ARM公司設(shè)計出不同的微架構(gòu)，其他芯片公司可以購買這些微架構(gòu)，再添加一些自己的一些外設(shè)模塊，就可以設(shè)計出一個芯片。比如：

ST公司購買了了ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，然后加上圖上的一些外設(shè)模塊如TIM、IIC、SPI等這些模塊之后就可以設(shè)計出STM32F103系列芯片。

ARM的內(nèi)核層級授權(quán)客戶很多，如：ST、TI、三星、海思、瑞芯微、全志等。

3、使用層級授權(quán)

使用層級的授權(quán)就是可以使用封裝好的ARM芯片，而不能進行任何修改。

作為最低的授權(quán)等級，擁有使用授權(quán)的用戶只能購買已經(jīng)封裝好的ARM處理器核心，而如果想要實現(xiàn)更多功能和特性，則只能通過增加封裝之外的DSP核心的形式來實現(xiàn)(當(dāng)然，也可以通過對芯片的再封裝方法來實現(xiàn))。

審核編輯：黃飛

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