随想录（risc cpu的那些事）

从消费电子的soc芯片来说，现在国内从事芯片设计的企业还是很多的，这其中有新岸线、瑞芯微、全志、炬力等等。一个完整的soc芯片其实包含了很多东西，比如说cpu核、总线、gpu核、gpio、timer、spi、i2c、i2s、video、sound等等。当然，这些核心，有的是买来的，比如说cpu核心，有的完全可以自己设计，比如说i2c、spi等等。目前消费电子的cpu一般还是以arm为主，电视机顶盒会采用一些mips核、一些交换机设备会使用powerpc核心、医疗设备上用coldfire系列的比较多、sparc芯片多用在sun服务器上。以上谈到的这些cpu其实都是risc cpu，也就是精简指令的cpu。

risc cpu有些共同的特征，比如说指令简单、数据和指令分开、指令对齐、通用指令和协处理器分开、中断模式简单等等。基本上，如果大家学会了一种risc的cpu，再学习其他的cpu就比较简单了。之前，risc cpu的种类很多，但是我们一直没有机会看到cpu究竟是怎么设计的。这种情况直到出现了opencores这个网站之后才有了改善。因为，网站上为我们提供了openrisc这种risc cpu的开源代码，我们才看到设计一个真正的cpu究竟需要做哪些工作。当然，凭良心而言，这份openrisc的代码还是比较简洁的，大家如果看一下sun的opensparc代码，就会明白我想表达的意思了。但是，openrisc虽小，常见的功能却不少，同时它具有gcc的工具链，而且已经移植到linux上了，还是非常值得我们学习的。

通过openrisc的内容，我们发现一个完整的cpu应该包括这些内容，

（01）mmu、tlb的处理；

（02）cache的处理；

（03）cpu 五级流水线的处理，即IF、ID、EXE、LS、WB的处理；

（04）pc地址的处理；

（05）中断的处理；

（06）timer处理；

（07）流水线freeze信号处理；

（08）电源管理处理；

（09）biu处理，即cpu和bus接口处理；

（10）其他内容等等。

大家如果熟悉arm体系结构的话，就会对上面的内容非常熟悉。最基本的cpu内容也就是这些东西。当然，现代cpu为了满足性能的需求，还会加入其他的一些内容，比如多cpu、流水线预测、cache同步、中断调度等等。软件与硬件打交道的方法其实就两种，汇编和中断。汇编指令帮助我们进行基本的运算、访存、读写外设寄存器、读写cpu状态寄存器、读写cpu控制寄存器，而中断就是外设与cpu打交道的方法。当然，从体系结构上说，poll和interrupt都是可以的，只不过中断效率好一点。数据传输也一样，总线到cpu、再到内存的传输方式太慢，人们因此有设计出了dma这一种数据传输方式。在cpu体系结构中，其实很多的设计都是有原因的。大家不光要熟悉这些技术，最好对相关的背景知识有进一步的了解。

再回到arm，基本的指令无非是加减乘除、移位、比较、跳转、中断返回、状态获取和保存、协处理器的设置和保存、利用io地址访存外设等等。内容不多，但是后面演绎的东西就多了，比如什么时候用rtos、上下文切换怎么弄、soc体系结构怎么和linux绑定在一起、选择cpu有什么讲究、host和device有什么分工、外设协议如何和cpu打交道等等。这里面的学问还是很大的。当然，新技术会不断出现，学习的唯一方法就是学习相关技术手册、访问官网、买设备试验等等。一般来说，中文资料总是会慢几拍，所以学好英文还是很重要的。

胡乱写了这么多，一来是自己的总结，二来是希望与大家分享一些自己的感受。对于通用的算法，理论上其实软件、硬件都能实现，软件用c编写，跑在cpu上；硬件用verilog编写，直接综合成门电路实现。就拿float运算来说，有些cpu就不支持，有些还需要外设的dsp的帮助，这其中的权衡利弊还是挺多的。要学的东西很多，关键是掌握基础，掌握之后才能思考和分析。

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