【软件开发底层知识修炼】一 深刻浅出处理器之一 微处理器与微控制器

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深刻浅出处理器这几篇文章可能你以为对软件开发用处不大，这个看我的理解吧，如果想贯通上下，知其然还要知其因此然的话，或许仍是有点用处的。学习处理器的篇章很是少，花一点时间学一下也无所谓的！

在我以前仍是作硬件的时候，我一直不理解微处理器和微控制器的区别。 以前写过一篇文章，讲X86处理器的，能够点击查看：X86处理器

一、 处理器

处理器分为两种：微处理器和微控制器。

微处理器与微控制器有如下区别：

• 微处理器

  -- CPU

• 微控制器

  --CPU + 片内内存 + 片内外设

注意：

1. 微控制器具备成本低，功耗低等优势，经常使用于嵌入式系统设计
2. 对于软件工程师而言，微处理器与微控制器没有任何区别

其中，CPU与外设（包括微控制器的片内外设与片外外设）都有寄存器，可是它们的用处倒是很是的不同。以前写过的X86处理器那篇文章中，已经讲了一些X86处理器的寄存器的用处，大体就是存储数据的，可是微控制器上的外设中的寄存器，不是用来存储数据的，而是用来控制外设的行为和工做方式的。

1.一、寄存器分类

1. CPU寄存器

   -- 专用指令执行，数据运算， 变量处理，参数传递

2. 外设寄存器

   -- 用于控制外设的行为和工做方式、

   --寄存器值的配置须要查看相应的硬件手册

1.二、处理器中的关键寄存器

今天咱们只了解两个寄存器：PC程序计数器寄存器，SP栈指针寄存器。

• PC程序计数器（指令指针寄存器IP）

  -- PC实际上就是代码中的每一条指令的地址，这个地址恰好就是内存中代码段中的偏移地址

  --每执行一条指令，PC中的值，就会发生变化

  -- PC始终保存着一条指令，这条指令就是CPU即将要执行的那条指令（下一条要执行的指令）

• SP栈指针（Stack Pointer）

  --SP寄存器，始终保存着栈空间的栈顶地址，实现LIFO特性

  -- SP栈指针用于保护函数调用的现场，好比中断断点，通用寄存器，函数的返回值等。具体如何保护，在之后的文章中会讲解

具体使用方法，会在后面的文章中讲解，今天暂时知道这两个寄存器的概念与用法。

1.三、处理器的IO操做

众所周知，一台电脑有不少外设，USB，声卡，显卡等，这些都是外设。那么处理器是如何与外设进行数据通讯的呢？

处理器与外设之间的通讯经过IO操做完成。

那么既然有IO操做，确定是要有CPU去寻址的过程，在CPU所能寻址的范围内，找到外设的地址，对该地址进行读写就能够与外设进行通讯。那么外设如何经过IO将本身的地址空间映射给CPU的寻址空间呢？

• 经过内存映射IO空间

  -- 外设经过精密的硬件连接映射到CPU的寻址空间。

  -- 而后CPU经过地址访问与外设进行数据读写访问

• 独立的IO空间

  --外设独立于CPU的地址空间，没法经过CPU的寻址来与外设进行通讯

  -- 此时，须要使用专用的指令与外设进行通讯

上面是CPU与外设的基本通讯方式，咱们没必要纠结于具体的硬件实现，毕竟咱们是作软件开发。

那么，CPU如今能够与外设进行通讯了，那么CPU如何操做外设呢？

1. 经过IO端口配置控制寄存器
2. 经过IO端口读取数据寄存器

从软件工程师的角度来看，只要对不一样的IO端口读写，就能够操做外设；读写IO端口时候的具体值和意义须要查询具体的硬件手册。

二、硬件设计的关键

上一节咱们知道了CPU是如何与外设打交道的。那么在硬件上，大概设怎样的设计呢？

首先CPU与外设之间要有地址总线与数据总线，而后须要有一个片选信号用来确保是否“启动”该外设。

经过具体的硬件设计，可使地址总线上的值在某个范围时，片选信号为“真”，即：使能链接的外设，从而读取相应地址中的数据！！！

具体的硬件如何设计不去细究，这里知道大概原理便可，

三、处理器的启动过程

在一开始，咱们的电脑是没有操做系统的，那么处理器是如何启动的呢？

• 处理器启动后，PC（IP）寄存器固话了一个默认值
• PC默认值决定了CPU上电后第一条执行指令在哪
• 第一条执行指令，是CPU的启动程序BIOS（BIOS之后讲解）

下图为CPU简易的启动过程

大体了解一下BIOS：

固化于硬件中的一个程序，用于初始化硬件，而后将指令指针寄存器PC（IP）指向主引导扇区程序，主引导扇区程序再来引导操做系统内核的自举程序，而后启动操做系统。（后期会专门学习操做系统，如今暂时不用了解）

四、总结

本系列文章学习记录软件开发底层的基础知识。