嵌入式作業系統核心原理和開發（cpu的那些事）

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    cpu是數文書處理系統中的一個重要環節。在我看來，單片機、微處理器、dsp都可以稱作是cpu，只是它們的側重點有所不同罷了。具體來說，傳統意義上的單片機更偏重於嵌入式的計算，比如說我們經常使用的51、avr、arm晶片中不僅僅含有了運算和控制功能，它還涵蓋了定時器、串口、並口、usb、i2c匯流排等外部資源。dsp呢，cpu一般只是作為dsp的一個核存在，它通常還會包含另外一個核，專門用於數字訊號的處理工作。而微處理器，也就是我們經常說的pc上的處理器，它的工作比較單一，專註於計算和控制功能的處理，因此一般來說在這方面的效能上面，單片機和dsp都是不能和它相比的，有了南橋晶片和北橋晶片的協助，pc的微處理器就可以專註於自己的本職工作了，效率上面也會有一個很大的提高。

    對於朋友們來說，生活中遇到的最多的cpu其實是x86的cpu。當然，如果有哪位朋友喜歡apple之類的玩具，也會知道一些arm的相關事情。剩下的就是一些專用領域的cpu了，比如說在通訊行業用到的比較多的powerpc晶片，在高效能伺服器用的到的sun sparc晶片，在科學計算領域使用到的mips晶片。所以，無論遇到什麼晶片，對於應用程式層開發的朋友都是一樣的，只是在一些小地方需要還有一些注意的地方。比如說，

（1）資料的對齊

（2）資料的位元組序問題

（3）函數參數的壓棧問題

（4）cpu的亂序執行問題

（5）cpu中cache和記憶體一致性的問題

    當然，如果我們所要思考只是簡單的應用程式層設計，考慮到這些內容本身已經實屬不易了。然而，我們考慮的是如何設計嵌入式作業系統的問題，所以接下來還要看看一般cpu下面都包含了那些內容。這樣，只要熟練掌握了一款cpu的設計和實現，對其他cpu的知識也會觸類旁通了。

    任何一款cpu，不管是完成的功能是什麼樣的，通常都會有這樣一些基本設計：

（1）寄存器

    堆棧寄存器    

    pc寄存器

    狀態寄存器

    運算寄存器

    寄存器是cpu內部的基本資源。不管cpu的代碼執行到什麼時候，這些資源都是共用的，所以在cpu發生中斷、函數調用、線程切換的時候，都需要對這些寄存器進行保護，常用的基本措施就是把把它們儲存到臨時堆棧當中去。堆棧寄存器記錄了當前堆棧使用到了什麼地方，pc寄存器則記錄當前代碼跑到了什麼地方，下一條指令在什麼地方等。狀態寄存器則儲存了當前cpu的執行情況，包括計算有沒有溢出、中斷是關還是開、有沒有o除數異常等等。至於運算寄存器就因cpu而異了，有的cpu寄存器比較少，比如說x86的寄存器；有的cpu寄存器就比較多，比如說powerpc。運算寄存器的用途很多，比如說資料訪問、計算、移位、返回計算結果等等。

（2）指令集

    定址指令

    數學運算指令

    邏輯運算指令

    非強制中斷指令

    跳轉指令

    遠程調用指令

    io訪問指令

    棧操作指令

    指令集在某種程度上直接決定了某一種cpu的類型。就像intel和amd生產的cpu雖然有差別，但是它們的cpu使用的都是x86的指令集，而marwell、samsung和高通生產的cpu當然也不同，但是它們的指令集都是arm指令集。所以，如果軟體在marwell上跑，一般來說也可以在Samsung上跑起來。指令集很複雜，內容很多。但是通常來說，上面這些內容都是cpu所必須要完成的幾種指令。當然重中之重的還是中斷和棧處理指示。

（3）中斷、異常處理機制

    不管是什麼cpu，中斷部分的內容都是少不了的。試想一想，如果一顆cpu只知道不停地運行，那麼它的執行效率實際上是很低的。擁有了中斷的cpu不僅使得cpu可以和更多的外設io打交道，還能極大地提高自身啟動並執行效率。不同的cpu處理中斷的方法其實都差不多，在整個cpu的地址空間裡面，通常在低地址地區會有一張中斷向量表，表中每一項記錄了每一個中斷對應的處理函數。所以，只要中斷髮生時，cpu就會首先將下一條pc地址壓入堆棧，然後跳轉到中斷向量表中對應的中斷地址處執行的相應的處理函數。這個過程是cpu自動完成的，不需要我們關心。這樣對我們來說，它和cpu中的函數調用其實沒有什麼區別。等待中斷處理結束後，我們使用ret指令返回到之前壓入的那個ip地址處，繼續下面的代碼。整個過程就好像中斷根本沒有發生過一樣。

    所以，對於cpu的瞭解其實主要就是對寄存器、指令集和中斷的瞭解。有了對中斷和堆棧的深入理解，其實也就沒有什麼困難的了。在這裡我們大家可以考慮一個問題，如何在Windows或者linux下模擬中斷完成我們的作業系統開發呢？大家可以自己先思考一下，我們會在隨後的部落格中繼續介紹。整篇文章，我們沒有介紹編碼的相關內容，其實只要把這裡的基本概念弄清楚了，剩下來其實就是一些流程性的工作了。在軟體開發中，設計其實是最難的，剩下的才是開發和調試。