看穿单片机第一节：CPU 模型

经历了十多年的单片机开发，站在我现在的高度来回看单片机，可谓望眼欲穿。

下面振南要介绍的是“单片机的体系架构模型”，是超脱于任何一种具体型号的单片机芯片之上的（我感觉我要成仙），它具有很强的普适性。几乎所有的单片机，或是ARM、DSP以及更为高端的处理器都遵循这一模型。或者说，这一模型中的几大要素是必需的。

我认为只有在这个层面上，才能真正“看穿单片机”。

CPU模型

CPU，即中央处理单元，它是计算机系统的核心，占有至高无上的地位，拥有绝对的管理权与控制权，如图1.6。

图1.6 CPU在计算机系统中占有核心地位

CPU的核心要务是执行指令，比如计算两个数的和、读写寄存器、操作总线读写内存等等。每一个CPU都有自己事先设计好的一套指令集，或称指令系统，每一条指令完成一项具体的操作和功能。但是指令集并不是凭空存在的，每条指令必然都对应着一套电路。当CPU执行一条指令时，其实就是相应的电路在工作。所以，一个CPU的性能是否优异，一部分因素就在于指令集是否丰富，指令功能是否强大，指令电路是否强大而高效。

从复杂程度上来说，CPU指令集主要分为两种：复杂指令集（CISC）与精简指令集（RISC）。大多数的嵌入式CPU都是RISC的，这一方面表现在指令的数量上：指令少，则对应的电路就少，可以很大程度上降低CPU设计的难度，同时也降低了功耗；另一方面则表现在指令的功能量级上：指令本身一般不宜实现过于复杂的功能，这使得指令执行效率比较高。CISC则不同（x86就是最为经典的CISC指令集），它的指令数量庞大（少的有300条左右，多的甚至超过500条，而RISC通常不超过100条），而且指令的功能都比较强大。这意味着采用CISC指令集的CPU在电路设计上的难度很大，研发周期比较长。但是它在功能和性能上都是RISC所无法企及的（一条CISC指令所完成的工作可能需要若干条RISC指令才能完成）。所以在大型服务器、工作站这些计算机系统中大多使用CISC指令CPU。

实际上，CISC与RISC只是为了适应不同的需求而产生的，它们并非对立，反而是相互促进，取长补短的关系。CISC中已经开始加入部分RISC指令，而在嵌入式领域中也出现了一些CISC指令的CPU。融合了CISC与RISC双重指令集的新型CPU将是以后的发展趋势。

上面是振南对CPU指令集的简要介绍，其实与指令集密切相关还有一些关键技术，比如流水线、指令预取、乱序执行等等，是它们让CPU的性能有了更大的提升（振南早期就职于Intel中国研究院，主要就是研究这方面技术，所以深有感触）。不过在这里振南不对其进行讲解，有兴趣的读者可以自行研究。

直到现在，仍然有很多人向我咨询关于计算机基本原理、体系架构、硬件组成等等方面的问题，我在解答之余，也在问他们：“你们对计算机基础如此感兴趣，为什么起初不学计算机专业呢？”我其实明白，很多人在高考报志愿的时候，都是有些盲目的。

指令的实质是什么？是C语言中的a=0？是汇编语言中的MOV？不，大家看到的这些语句只是指令的一种表达形式而已。指令的实质上是一个有一定长度的二进制序列（比如0101111010101010或1011010111011011等）。CPU在得到指令之后，首先由指令译码电路从中分离中操作码、操作数，如图1.7所示（以51的MOV指令为例进行说明）。

图1.7 对指令码的译码

01110100即为指令74H，它的功能是将后面的操作数（00010000，即10H）传送到A寄存器（51 CPU中的累加器）。这条指令如果使用汇编语言来表示就是MOV A,#10H，它通过汇编器翻译之后，就是上图中的16位指令码（汇编语言的提出，只是对最原始的CPU二进制指令进行了封装，用一些便于记忆的标识，比如MOV、ADD、INC等对指令进行表示，经过汇编器翻译后，就是可直接进入CPU进行执行的指令码序列了）。

振南经常想像在CPU问世初期人们是如何向CPU输入指令的—“打孔纸带”，如图1.8。

图1.8 人们使用纸带打孔方式向CPU输入指令

在汇编语言产生之前，程序指令的编制都要完全靠人工来完成。人们将编好的若干条指令通过纸带打孔方式输入到CPU中，让它可以依次执行，最终完成整个计算任务（纸带上的‘孔’与‘实’代表了1和0）。从某种意义上来说，“纸带”才是第一代编程语言，然后“汇编语言”是第二代编程语言。它们都是离CPU指令最近的语言，所以我们称之为“低级语言”。最后才产生了C语言，它与我们人类日常使用的自然语言（英语）已经非常接近，这意味着它离CPU指令很远了。它需要经过专门的编译器进行预处理、语义分析、编译等加工处理，生成中间代码（汇编），然后再进一步进行汇编、连接等处理才能得到真正可由CPU执行的指令码。所以，C语言被称为“高级语言”。

综上所述，我们可以认为CPU就是一个取指令执行的机器，这就是CPU的主要功能和工作。但是CPU的体系结构又并非仅仅这么简单，如何协调取指令的过程，防止出错？指令存储在哪里？CPU如何从存储器中取出指令？这些问题我们都要深刻理解，否则C语言和单片机是无法真正精通的。