一、計算機架構(gòu)

在了解計算機架構(gòu)之前，我們先來認識幾位對計算機的發(fā)明做出關鍵共享的幾位大佬。

1． 巴貝奇

機械計算機之父，英國貴族，曾孤軍奮戰(zhàn)下造出的第一臺差分機，運算精度達到了6位小數(shù)，后來又設計了20位精度的差分機，其設計理念已經(jīng)達到了機械設計登峰造極的境界。

1985～1991年，倫敦科學博物館為了紀念巴貝奇誕辰200周年，根據(jù)其1849年的設計，用純19世紀的技術成功造出了差分機2號。

巴貝奇堪稱上個世紀最強大腦，他的大腦現(xiàn)保存在英國科學博物館。

程序員的祖師奶奶Ada正是在和巴貝奇共同工作時提出了程序循環(huán)分支等等我們現(xiàn)在都習以為常的編程理念。

2． 圖靈

被稱為計算機科學之父，人工智能之父。1931年圖靈進入劍橋大學國王學院，畢業(yè)后到美國普林斯頓大學攻讀博士學位，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后回到劍橋，后曾協(xié)助軍方破解德國的著名密碼系統(tǒng)Enigma，幫助盟軍取得了二戰(zhàn)的勝利。圖靈對于人工智能的發(fā)展有諸多貢獻，提出了一種用于判定機器是否具有智能的試驗方法，即圖靈試驗，至今，每年都有試驗的比賽。

圖靈在戰(zhàn)時服務的機構(gòu)于1943年研制成功的CO－LOSSUS（巨人）機，這臺機器的設計采用了圖靈提出的某些概念。它用了1500個電子管，采用了光電管閱讀器；利用穿孔紙帶輸入；并采用了電子管雙穩(wěn)態(tài)線路，執(zhí)行計數(shù)、二進制算術及布爾代數(shù)邏輯運算，巨人機共生產(chǎn)了10臺，用它們出色地完成了密碼破譯工作。

強烈推薦這部根據(jù)圖靈生平改編的電影《模仿游戲》，一起感受下這個絕世天才不平凡的一生。

3． 馮諾依曼－《計算機與人腦》

計算機架構(gòu)主要有兩種：哈佛架構(gòu)、馮諾依曼架構(gòu)�，F(xiàn)代計算機，大部分都是基于馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

我個人認為馮諾依曼應該是上個世紀「最聰明的人，沒有之一」。

他的個人成就在此就不說了，大家可以自行搜索，很多成就，一口君連名字都看不懂，只有博弈論還勉強知道是啥意思。

本文只討論大神對計算機的貢獻【其實計算機并不是大神的最厲害的成就，而且他也并沒有花太多時間精力在計算機的研究上】。

1955年10月，諾伊曼，被查出患有癌癥。而他幾乎是在他生命的最后時刻，于臨終的病榻上撰寫了關于人的神經(jīng)系統(tǒng)與計算機關系的講稿。1958年，他的講稿以《計算機與人腦》為題出版。

諾依曼從數(shù)學的角度，主要是從邏輯和統(tǒng)計數(shù)學的角度，討論了神經(jīng)系統(tǒng)的刺激——反應和記憶等問題，提出神經(jīng)系統(tǒng)具有數(shù)字部分和模擬部分兩方面的特征，探討了神經(jīng)系統(tǒng)的控制及邏輯結(jié)構(gòu)。

4． 馮諾依曼架構(gòu)

馮諾依曼的核心是：「存儲程序，順序執(zhí)行」，規(guī)定計算機必須具有如下功能：

把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計算機中；必須具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運算結(jié)果的能力；能夠完成各種算術、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力；能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機器的各部件協(xié)調(diào)操作；能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶

馮諾依曼架構(gòu)

5． 哈佛架構(gòu)

馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的。

馮諾依曼結(jié)構(gòu)是程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲器都是可以放到內(nèi)存中，統(tǒng)一編碼的，而哈弗結(jié)構(gòu)是分開編址的。

哈佛架構(gòu)

6． 哪些處理器是哈佛架構(gòu)、馮諾依曼架構(gòu)？

「哈佛架構(gòu)」

MCU（單片機）幾乎都是用哈佛結(jié)構(gòu)，譬如廣泛使用的51單片機、典型的STM32單片機（核心是ARM Cortex－M系列的）都是哈佛結(jié)構(gòu)。

「馮諾依曼架構(gòu)」

PC和服務器芯片（譬如Intel AMD），ARM Cortex－A系列嵌入式芯片（譬如核心是ARM Cortex－A9的三星exynos－4412，譬如華為的麒麟970等手機芯片）等都是馮諾依曼結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)都需要大量內(nèi)存，所以工作內(nèi)存都是DRAM，因為他們更適合使用馮諾依曼系統(tǒng)。

「混合結(jié)構(gòu)」

實際上現(xiàn)代的CPU（準確說叫SoC）基本都不是純粹的哈佛結(jié)構(gòu)或馮諾依曼機構(gòu)，而都是混合結(jié)構(gòu)的。

比如三星exynos 4412，使用ARM的Cortex－A9核心。基于exynos 4412開發(fā)板上都配備了1024MB的DDR SDRAM，和8GB的EMMC。

正常工作時所有的程序和數(shù)據(jù)都從EMMC中加載到DDR中，也就是說不管你是指令還是數(shù)據(jù)，存儲都是在EMMC中，運行時都在DDR中，再通過cache和寄存器送給CPU去加工處理。這就是典型的馮諾依曼系統(tǒng)。

但是，exynos 4412內(nèi)部仍然有一定容量的64KB irom和64KB iram，這些irom和iram是用于SoC引導和啟動的，芯片上電后首先會執(zhí)行內(nèi)部irom中固化的代碼，其實執(zhí)行這些代碼時4412就好像一個MCU一樣，irom就是他的flash，iram就是他的SRAM，這又是典型的哈佛結(jié)構(gòu)。

這就是混合式結(jié)構(gòu)設計，而非純粹設計。之所以采用混合式設計其實就是為了各取所長而已。

不管白貓黑貓，解決問題就是好貓。

二、計算機組成

計算機系統(tǒng)＝硬件系統(tǒng)＋軟件系統(tǒng)硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎，軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。硬件和軟件是相輔相成的，不可分割的整體。

計算機組成

1）．輸入設備

輸入設備的任務是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計算機中去，并且將它們轉(zhuǎn)換成計算機內(nèi)部所能識別和接受的信息方式。常用的有鍵盤、鼠標、掃描儀等。

2）．輸出設備

輸出設備的任務是將計算機的處理結(jié)果以人或其他設備所能接受的形式送出計算機。常用的有顯示器、打印機、繪圖儀等。

3）．存儲器、CPU

見第三節(jié)

4）． 計算機的總線結(jié)構(gòu)

將各大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計算機的硬件系統(tǒng)。

系統(tǒng)總線包含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）、地址總線AB（Address Bus）和控制總線CB（Control Bus）。

數(shù)據(jù)總線DB用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機的一個重要指標，通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。

地址總線AB專門用來傳送地址的。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為216＝64KB，16位微型機的地址總線為20位，其可尋址空間為220＝1MB。控制總線CB用來傳送控制信號和時序信號。控制信號中，有的是微處理器送往存儲器和I／O接口電路的，如讀／寫信號，片選信號、中斷響應信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、限備就緒信號等�？刂瓶偩�的具體情況取決于CPU。

三、 CPU工作原理

CPU內(nèi)部主要包括運算器和控制器。

指令

1） 存儲器

存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它是一個記憶裝置，也是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲程序控制”的基礎。

包括：Cache、主存儲器、輔助存儲器。

「高速緩沖存儲器（Cache）」CPU可以直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序中的活躍部分，以便快速地向CPU提供指令和數(shù)據(jù)。

「主存儲器」可由CPU直接訪問，用來存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。

「輔助存儲器」設置在主機外部，CPU不能直接訪問，用來存放暫時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)，需要時再傳送到主存。

存儲器

2） 運算器

運算器的核心是算術邏輯運算部件ALU，還包括若干個寄存器（如累加寄存器、暫存器等）。

ALU可以執(zhí)行算術運算（包括加減乘數(shù)等基本運算及其附加運算）和邏輯運算（包括移位、邏輯測試或兩個值比較）。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進行動作，即運算單元所進行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

運算器

3）  控制器

控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由程序計數(shù)器PC（Program Counter）， 指令寄存器IR（Instruction Register）、指令譯碼器ID（Instruction Decoder）和操作控制器OC（Operation Controller）等組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。

它根據(jù)用戶預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼（分析）確定應該進行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。

控制器

4） CPU的運行原理總結(jié)

控制單元在時序脈沖的作用下，將指令計數(shù)器里所指向的指令地址（這個地址是在內(nèi)存里的）送到地址總線上去，然后CPU將這個地址里的指令讀到指令寄存器進行譯碼。

對于執(zhí)行指令過程中所需要用到的數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)地址也送到地址總線，然后CPU把數(shù)據(jù)讀到CPU的內(nèi)部存儲單元（就是內(nèi)部寄存器）暫存起來，最后命令運算單元對數(shù)據(jù)進行處理加工。

周而復始，一直這樣執(zhí)行下去。

5） 指令執(zhí)行過程

一條指令的執(zhí)行通常包括以下4個步驟：

指令執(zhí)行過程

1、取指令：CPU的控制器從內(nèi)存讀取一條指令并放入指令寄存器。2、指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應進行何種操作（就是指令里的操作碼）、操作數(shù)在哪里（操作數(shù)的地址）。3、 執(zhí)行指令，分兩個階段“取操作數(shù)”和“進行運算”。4、 修改指令計數(shù)器，決定下一條指令的地址。

6） ARM技術特征

ARM的成功，一方面得益于它獨特的公司運作模式，另一方面，當然來自于ARM處理器自身的優(yōu)良性能。作為一種先進的RISC處理器，ARM處理器有如下特點。

體積小、低功耗、低成本、高性能。支持Thumb（16位）／ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位／16位器件。大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。指令長度固定。此處有必要講解一下RISC微處理器的概念及其與CISC微處理器的區(qū)別。7） ARM體系架構(gòu)的發(fā)展

體系架構(gòu)的定義：體系架構(gòu)定義了指令集（ISA）和基于這一體系架構(gòu)下處理器的編程模型。基于同種體系架構(gòu)可以有多種處理器，每個處理器性能不同，所面向的應用不同，每個處理器的實現(xiàn)都要遵循這一體系結(jié)構(gòu)。ARM體系架構(gòu)為嵌入系統(tǒng)發(fā)展商提供很高的系統(tǒng)性能，同時保持優(yōu)異的功耗和效率。

ARM體系架構(gòu)為滿足ARM合作者及設計領域的一般需求正穩(wěn)步發(fā)展。目前，ARM體系架構(gòu)共定義了8個版本，從版本1到版本8，ARM體系的指令集功能不斷擴大，不同系列的ARM處理器，性能差別很大，應用范圍和對象也不盡相同，但是，如果是相同的ARM體系架構(gòu)，那么基于它們的應用軟件是兼容的。

下面我們簡單介紹下 V7／V8架構(gòu)。

v7架構(gòu)

ARMv7架構(gòu)是在ARMv6架構(gòu)的基礎上誕生的。該架構(gòu)采用了Thumb－2技術，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術的基礎上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb－2技術比純32位代碼少使用31％的內(nèi)存，減小了系統(tǒng)開銷，同時能夠提供比已有的基于Thumb技術的解決方案高出38％的性能。ARMV7架構(gòu)還采用了NEON技術，將DSP和媒體處理能力提高了近4倍。并支持改良的浮點運算，滿足下一代3D圖形、游戲物理應用及傳統(tǒng)嵌入式控制應用的需求。

v8架構(gòu)

ARMv8架構(gòu)是在32位ARM架構(gòu)上進行開發(fā)的，將被首先用于對擴展虛擬地址和64位數(shù)據(jù)處理技術有更高要求的產(chǎn)品領域，如企業(yè)應用、高檔消費電子產(chǎn)品。ARMv8架構(gòu)包含兩個執(zhí)行狀態(tài)：AArch64和AArch32。AArch64執(zhí)行狀態(tài)針對64位處理技術，引入了一個全新指令集A64，可以存取大虛擬地址空間；而AArch32執(zhí)行狀態(tài)將支持現(xiàn)有的ARM指令集。目前的ARMv7架構(gòu)的主要特性都將在ARMv8架構(gòu)中得以保留或進一步拓展，如TrustZone技術、虛擬化技術及NEON advanced SIMD技術等。

8） ARM 微處理器架構(gòu)

ARM內(nèi)核采用RISC體系架構(gòu)。ARM體系架構(gòu)的主要特征如下。

采用大量的寄存器，它們都可以用于多種用途。采用Load／Store體系架構(gòu)。每條指令都條件執(zhí)行。采用多寄存器的Load／Store指令。能夠在單時鐘周期執(zhí)行的單條指令內(nèi)完成一項普通的移位操作和一項普通的ALU操作。通過協(xié)處理器指令集來擴展ARM指令集，包括在編程模式中增加了新的寄存器和數(shù)據(jù)類型。如果把Thumb指令集也當做ARM體系架構(gòu)的一部分，那么在Thumb體系架構(gòu)中還可以高密度16位壓縮形式表示指令集。9） ARM指令

ARM指令是RISC（Reduced Instruction Set Computing），即精簡執(zhí)令運算集，RISC把著眼點放在如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單和如何使計算機的處理速度更加快速上。RISC選取了使用頻率最高的簡單指令，拋棄復雜指令，固定指令長度，減少指令格式和尋址方式，不用或少用微碼控制。這些特點使得RISC非常適合嵌入式處理器。

RISC可以實現(xiàn)以相對少的晶體管設計出極快的微處理器。通過研究發(fā)現(xiàn)，只有大約20％的指令是最常用的，把處理器能執(zhí)行的指令數(shù)目減少到最低限度，對它們的執(zhí)行過行優(yōu)化，就可以極大地提高處理的工作速度。

一般來說，RISC處理器比同等的CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）處理器要快50％－75％，同時RISC處理器更容易設計和糾錯。

一般指令格式如下：

指令格式

「操作碼：」操作碼就是匯編語言里的mov，add，jmp等符號碼；

「操作數(shù)地址：」用于說明該指令需要的操作數(shù)所在的地方，是在內(nèi)存里還是在CPU的內(nèi)部寄存器里。

實際上的機器指令格式遠比這個復雜，下圖是常用的ARM指令格式：

ARM 指令格式

關于這些機器指令格式，后面我們會挑選其中幾個分析，對于我們大部分讀者來說，沒有必要花太多精力去研究這些機器指令，只需要大概了解即可。

關于CPU我們從宏觀上把握到這個程度就OK了，后面我們會逐步進入后續(xù)階段的學習，介紹ARM寄存器模式、異常、尋址、匯編指令，以及C代碼中嵌入的匯編語言的寫法。

四、SOC

SOC：　系統(tǒng)芯片是一個將計算機或其他電子系統(tǒng)集成單一芯片的集成電路。系統(tǒng)芯片可以處理數(shù)字信號、模擬信號、混合信號甚至更高頻率的信號。

從狹義角度講，它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講， SoC是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器（CPU）是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。

1． ARM base Soc

嵌入式系統(tǒng)中常常要使用系統(tǒng)芯片。系統(tǒng)芯片的集成規(guī)模很大，一般達到幾百萬門到幾千萬門。SOC相對比較靈活，它可以將arm架構(gòu)的處理器與一些專用的外圍芯片集成到一起，組成一個系統(tǒng)。

下圖是一個典型的基于ARM架構(gòu)的SOC架構(gòu)圖。

ARM base Soc

一個典型的基于ARM的Soc架構(gòu)通常包含以下幾個主要部件：

ARM Processor core    處理器核Clocks and Reset Controller   時鐘和復位電路Interrupt Controller   中斷控制器ARM Propherals  外部設備GPIODMA PortExternal Memory Interface 外部內(nèi)存接口On chip RAM 偏上RAMAHB、APB總線

其實現(xiàn)有的ARM處理器如Hisi－3507、exynos－4412等處理器都是一個SOC系統(tǒng)，尤其是應用處理器它集成了許多外圍的器件，為執(zhí)行更復雜的任務、更復雜的應用提供了強大的支持。

該架構(gòu)是我們理解匯編指令和編寫裸機程序的基石。

當我們拿到一個新的SOC的datasheet，首先就要根據(jù)這個架構(gòu)，來查看SOC的「RAM空間、時鐘頻率、包括哪些外部設備的控制器，各個外設控制器的操作原理，各個外設對GPIO的引腳復用情況、各個控制器的SFR地址、中斷控制器是如何管理眾多中斷源的等等」。

2． 三星 Exynos 4412

2012年初，三星正式推出了自家的首款四核移動處理器Exynos4412。

下面三星的exynos 4412的SOC。

Exynos 4412 SCP結(jié)構(gòu)框圖

如上圖所示，exynos 4412主要包括以下模塊：

4（quad）個Cortex－A9處理器1MB的 L2 CacheInterrupt Controller 中斷控制器，管理所有的中斷源Interrupt Combiner 中斷控制器，管理soc內(nèi)的一些中斷源NEON ARM 架構(gòu)處理器擴展結(jié)構(gòu)，旨在通過加速多媒體（video／audio）編解碼，用戶界面，2D／3D圖形及游戲來提高人對多媒體的體驗DRAM、Internal RAM、NAND Flash、SROM Controller 各種存儲設備的控制器SDIO、USB、I2C、UART、SPI等總線RTC、Watchdog TimerAudio Subsystem 聲音子系統(tǒng)IIS（Integrate Interface of Sound）接口 ，集成語音接口Power Management電源管理Multimedia Block 多媒體模塊

這款新Exynos四核處理器，擁有32nm HKMG（高K金屬柵極技術）制程，支持雙通道LPDDR21066。三星公司已將這顆圖形處理器主頻由此前的266MHz提升至400MHz，新聞稿指出其會比現(xiàn)有的雙核機型整體性能提升60％，圖像處理能力提升50％。

三星智能手機Galaxy S III手機就采用了Exynos4412處理器。

學習ARM就必須深刻了解soc架構(gòu)，官方提供的datasheet是我們學習ARM、編寫驅(qū)動程序的基石，該手冊內(nèi)容比較多，我們并不需要每一章都掌握，用到哪個地方，我們就去學習即可。

后續(xù)的文章，會基于華清遠見的FS－4412開發(fā)板為大家講解常見的外設的原理，并編寫對應的驅(qū)動程序。

下一篇預告：《2． 從0開始學ARM－CPU原理，基于ARM的SOC講解》