嵌入式发展历史-编程知识

MPU、MCU、SoC、Application Processors

在一个电子系统中，处理器占据最重要的位置，被称为中央处理器单元（CPU：Central Processing Unit）。它从IO设备读取数据，处理，然后输出。

CPU的发展历史有两个：MPU、MCU。

MPU只是一个处理器，需要搭配内存等非常多的外设才可以构成一个系统。
MCU内部有处理器、内存、Flash及其他模块，仅仅需要搭配少量外设就可以构成一个系统。

MPU这一路线，在上世纪80年代非常流行，那时的微型计算机、游戏机都是使用MPU。比如Motorola公司的68000芯片就是一款主流的微处理器(MPU)。
后来MPU逐渐没落，可以认为MPU到现在只剩下了intel、AMD公司x86系列CPU。这类CPU也越来越复杂，称之为“微处理器”似乎不恰当了。在个人电脑领域，可以看到类似下图的主板。主板上插上CPU、内存条、声卡等等就构成了一台计算机。这个主板体积庞大、制造复杂。
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MCU就是把CPU、内存、Flash都集中在一个芯片上，再搭配其他外设备，就可以构成一个完整的系统。
MCU的发展历史经过8位8051单片机、16位AVR单片机、32位STM32单片机等等。

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我们使用的51单片机、STM32单片机，一般都只是处理比较简单的事物，应用场景比较单一。
我们使用的手机，里面的主芯片更加复杂，它既含有CPU，也含有用于数据处理的DSP，用于图形显示的GPU，使用这类主芯片设计出来的电路板更加复杂，它的性能甚至不弱于个人电脑。
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为了与个人电脑区分，这些使用含有MPU电子产品，被称为嵌入式系统、嵌入式板卡、嵌入式产品。
嵌入式板卡就是一台形状不一样的电脑，跟电脑相比，可以引入几个概念：

CPU：在PC机它是一个独立的芯片。在嵌入式系统中，它是芯片的一个单元，跟其他模块比如USB、UART、音频组成一个芯片。
MPU：微处理器单片，其作用等同于PC上使用的CPU，它也仅仅只是一个处理器，需要配合内存、Flash等外设才可以使用。现在除了个人电脑，基本上找不到MPU。并且我们一般不把电脑上的CPU当做MPU，毕竟它不再微小。
MCU：微控制器单元，有时又称为单片机。MCU内部集成了处理器和各类模块，比如USB控制器、UART控制器、内存、Flash等等。只需要外接少量的器件，就可以搭建一个电子系统。C51芯片、STM32等芯片，都是MCU。MCU芯片内部的内存或Flash，容量在几KB、几百KB、几MB的量级，一般不再需要外接内存或Flash。
Application Processors：手机中的主芯片跟MCU类似，也是集成了处理器和各类模块。但是它的性能已经极大提升，可以外接几GB的内存、几GB的Flash。在手机中，这个主芯片一般用来处理显示、输入，运行用户的程序，所以称它为“Application Processors”。

在手机电路板中，可用空间非常小。Application Processors还需要搭配内存芯片才可以使用，于是发展出了一种名为package-on-package (PoP)的工艺：在电路板上先焊接Application Processors，在Application Processors上面再焊接内存芯片，即2个芯片叠在一起。

MCU上一般不运行操作系统，或是运行一些资源耗费较小的小型实时操作系统(RTOS)。
MCU一般用来处理实时性要求高的事情，处理一些比较简单的事情。
Application Processors基本上都会运行比较复杂的操作系统(比如Linux)，在操作系统上运行多个APP。

哈佛架构与冯诺依曼架构

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CPU架构可以分为哈弗架构与冯诺依曼架构。哈弗架构中指令与数据分开存放，CPU可以同时读入指令、读写数据。冯诺依曼架构中指令、数据混合存放，CPU依次读取指令、读写数据，不可同时操作指令和数据。

ARM公司的芯片，ARM7及之前的芯片都是冯诺依曼架构，ARM7之后使用“改进的哈弗架构”。
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在改进的哈弗架构里，指令和数据在外部存储器中混合存放，CPU运行时，从指令cache中获得指令，从数据cache中读写指令。

指令集：CISC和RISC

CISC（Complex Instruction Set Computers，复杂指令集计算机）和RISC（Reduced Instruction Set Computers，精简指令集计算机）是两大类主流的CPU指令集类型。

其中CISC以Intel、AMD的x86CPU为代表，而RISC以ARM、IBM Power为代表，开源的RISC-V也是RISC指令集。

RISC的设计初衷针对CISC CPU复杂的弊端，选择一些可以在单个CPU周期完成的指令，以降低CPU的复杂度，将复杂性交给编译器。

举一个例子，下图是实现这样的乘法运算：a = a * b。它需要4个步骤：读出a的值、读出b的值、相乘、写结果到a。
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使用CISC提供的乘法指令，只需要一条指令即可完成这4步操作。当然这一个指令需要多个CPU周期才可以完成。

而RISC不提供“一站式”的乘法指令，需调用4条单CPU周期指令完成两数相乘：内存a加载到寄存器，内存b加载到寄存器，两个寄存器中数相乘，寄存器结果存入内存a。

按照此思路，早期的设计出的RISC指令集，指令数是比CISC少些。后来，很多RISC的指令集中指令数反超了CISC。因此，应该根据指令的复杂度而非数量来区分两种指令集。

当然，CISC也是要通过操作内存、寄存器、运算器来完成复杂指令的。它在实现时，是将复杂指令转换成了一个微程序，微程序在制造CPU时就已存储于微服务存储器。一个微程序包含若干条微指令，执行复杂指令时，实际上是在执行一个微程序。
这也就带来两种指令集的一个差别，微程序的指令是不可被打断的，而RISC指令之间可以被打断，理论上RISC可更快响应中断。

区别

指令能力：CISC的指令能力强，但多数指令使用率却增加了CPU的复杂度，指令是可变长格式。RISC的指令大部分为单周期指令，指令长度固定，对内存只有LOAD/STORE操作，数据的运算都是在CPU内部实现。
寻址方式：CISC支持多种寻址方式；RISC支持的寻址方式少。
实现方法：CISC通过微程序控制技术实现；RISC增加了通用寄存器，硬布线逻辑控制为主，采用流水线方式执行。
研发周期：CISC的研制周期长；RISC硬件简单，需要优化编译器。

ARM公司的芯片都使用RISC指令集，对内存只有load/store操作，数据的处理是在CPU寄存器上进行。