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深入浅出处理器这几篇文章可能你觉得对软件开发用处不大，这个看个人理解吧，若是想贯通上下，知其然还要知其所以然的话，或许还是有点用处的。学习处理器的篇章非常少，花一点时间学一下也无所谓的！

在我之前还是做硬件的时候，我一直不理解微处理器和微控制器的区别。
之前写过一篇文章，讲X86处理器的，可以点击查看：X86处理器

文章目录

1、 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以下区别：

  • 微处理器

    – CPU

  • 微控制器

    –CPU + 片内内存 + 片内外设

注意：

  1. 微控制器具有成本低，功耗低等优点，常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，但是它们的用处却是非常的不一样。之前写过的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，大致就是存储数据的，但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作方式的。

1.1、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作方式、

    –寄存器值的配置需要查看相应的硬件手册

1.2、处理器中的关键寄存器

今天我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，这个地址刚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，比如中断断点，通用寄存器，函数的返回值等。具体如何保护，在以后的文章中会讲解

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。

1.3、处理器的IO操作

众所周知，一台电脑有很多外设，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信的呢？

处理器与外设之间的通信通过IO操作完成。

那么既然有IO操作，肯定是要有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可以与外设进行通信。那么外设如何通过IO将自己的地址空间映射给CPU的寻址空间呢？

  • 通过内存映射IO空间

    – 外设通过精密的硬件链接映射到CPU的寻址空间。

    – 然后CPU通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，无法通过CPU的寻址来与外设进行通信

    – 此时，需要使用专用的指令与外设进行通信

上面是CPU与外设的基本通信方式，我们不必纠结于具体的硬件实现，毕竟我们是做软件开发。

那么，CPU现在可以与外设进行通信了，那么CPU如何操作外设呢？

  1. 通过IO端口配置控制寄存器
  2. 通过IO端口读取数据寄存器

从软件工程师的角度来看，只要对不同的IO端口读写，就可以操作外设；读写IO端口时候的具体值和意义需要查询具体的硬件手册。

2、硬件设计的关键

上一节我们知道了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，然后需要有一个片选信号用来确保是否“启动”该外设。

通过具体的硬件设计，可以使地址总线上的值在某个范围时，片选信号为“真”，即：使能连接的外设，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，这里知道大概原理即可，

3、处理器的启动过程

在一开始，我们的电脑是没有操作系统的，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以后讲解）

下图为CPU简易的启动过程

大致了解一下BIOS：

固化于硬件中的一个程序，用于初始化硬件，然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作系统内核的自举程序，然后启动操作系统。（后期会专门学习操作系统，现在暂时不用了解）

4、总结

基础不牢，地动山摇。上来就提倡看各种源码的，不是大牛就是菜鸡。大牛很少，菜鸡很多。

本系列文章几乎全部参考狄泰软件学院相关课程，想学习的可以加群，
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