CPU的发展历程、架构与指令

1、CPU发展历程

在一个电子系统中，处理器占据最重要的位置，被称为中央处理器单元：CPU(Central Processing Unit)。它从IO设备读取数据，处理，然后显示出来。CPU的发展有两个路线：MPU、MCU。

• MPU只是一个处理器，需要搭配内存等非常多的其他外设才可以构成一个系统；
• MCU内部有处理器、内存、Flash及其他模块，仅仅需要搭配少量外设就可以构成一个系统。

(1)MPU这一路线，在上世纪80年代非常流行，那时的微型计算机、游戏机都是使用MPU。后来MPU逐渐式微，可以认为MPU发展到现在只剩下了intel、AMD两家公司，主要用于个人电脑中。芯片越来越复杂，逐渐强大，称之为MPU似乎不恰当，现在都直接称为CPU。

• MPU即微处理器（Microprocessor Unit）

(2)MCU这一路线，就是把CPU、内存、Flash都集中在一个芯片上，它再搭配其他外设备就可以构建一个完整的系统。MCU的发展经历过8位8051单片机、16位AVR单片机、32位STM单片机等等。

• 我们使用的51单片机、STM32单片机，一般都只是用来处理比较简单的事务，应用场景比较单一。
• 我们使用的手机，里面的主芯片更加复杂，它既含有CPU，也含有用于数据处理的DSP、用于图形显示的GPU。使用这类主芯片设计出来的电路板更加复杂，它的性能甚至不弱于个人电脑。

(3)为了跟个人电脑相区分，这些使用含有CPU电子产品，被称为嵌入式系统、嵌入式产品、嵌入式板卡。

2、CPU、MPU和MCU

嵌入式板卡就是一台形状不一样的电脑，跟电脑相比，可以引入几个概念：

(1)CPU(Central Processing Unit)：

• 中央处理器，在PC机它是一个独立的芯片。
• 在嵌入系统中，它是芯片里的一个单元，跟其他模块比如USB、UART、音频组成一个芯片。

(2)MPU(Mircro Processor Unit)：

• 微处理器单元，其作用等同于在PC上使用的CPU，它也只仅仅是一个处理器，需要配合内存、Flash等外设才可以使用。
• 现在，除了个人电脑上的CPU，基本上找不到MPU了。并且我们一般不把电脑上的CPU当作MPU，毕竟它也是挺大的，并不"微小"。
• 但是，在现实工作中，有时会遇到把A pplication Processors称为MPU。

(3)Application Processors：

• Application Processors 即应用处理器，用于手机、平板当中；
• 用来处理显示、输入，运行用户的程序等。
• 它跟MCU类似，也是集成了处理器和各类模块；但是它的性能已经极大提升，可以外接几GB的内存、几GB的Flash。
• Application Processors 的概念可以扩展到其他场景，不再局限于手机、平板。
• 跟MCU相比，Application Processors的不同点：

  • 集成了更多的模块：比如用于数据处理的DSP、用于图形显示的GPU，甚至有多个处理器。

  • 运行的操作系统不同：MCU上一般不运行操作系统，或是运行RTOS；Application Processors基本上都会运行比较复杂的操作系统(比如Linux)，在操作系统上运行多个APP。

(4)SoC

• SoC（System on Chip)，即片上系统。SoC的本意是在一个芯片上就可以搭建完整的系统。
• 但是这个概念在日常使用中比较宽泛：MCU芯片也可以称为SoC，Application Processors也可以称为SoC，即使它们还必须外接内存/Flash等外设才可以运行。
• 在以前的文档中涉及SoC时，意指比较复杂的系统。这时候MCU不属于SoC，因为MCU比较简单；但是时代在发展，MCU也越来越复杂了，所以把MCU也当作SoC也是可以的。

3、哈佛架构和冯诺伊曼架构

CPU架构可以分为哈弗架构与冯诺伊曼架构。

(1)哈佛架构

• 指令与数据分开存放，CPU可以同时读入指令、读写数据。

• 现在的ARM属于哈佛结构。

(2)冯诺伊曼架构

• 指令、数据混合存放，CPU依次读取指令、读写数据，不可同时操作指令和数据。

• PC机、服务器属于冯诺伊曼架构。

4、指令集： CISC和RISC

(1)CISC，即复杂指令集计算机。

• 指令数量多：包含数百条复杂指令，涵盖多种操作（如内存访问、算术运算、字符串处理等）。
• 单条指令功能强：一条指令可能完成多个操作（如"从内存加载数据并计算"）。
• 变长指令：指令长度不固定，可能占用多个字节。
• 应用：x86架构（Intel/AMD处理器）。

(2)RISC，即精简指令集计算机。

• 指令数量少：通常只有几十条简单指令，每条指令功能单一。
• 单条指令功能简单：每条指令仅完成一个基本操作（如"加法"或"内存加载"）。
• 定长指令：指令长度固定（如32位或64位），便于解码。
• 应用：ARM、RISC-V、MIPS架构。

(3)举一个例子，下图是实现这样的乘法运算：a = a * b。它需要4个步骤：读出a的值、读出b的值、相乘、写结果到a。

• 使用CISC提供的乘法指令，只需要一条指令即可完成这4步操作。当然，这一个指令需要多个CPU周期才可以完成。
• 而RISC不提供"一站式"的乘法指令，需调用四条单CPU周期指令完成两数相乘：内存a加载到寄存器，内存b加载到寄存器，两个寄存器中数相乘，寄存器结果存入内存a。
• 按照此思路，早期的设计出的RISC指令集，指令数是比CISC少些。后来，很多RISC的指令集中指令数反超了CISC。因此，应该根据指令的复杂度而非数量来区分两种指令集。
• 当然，CISC也是要通过操作内存、寄存器、运算器来完成复杂指令的。它在实现时，是将复杂指令转换成了一个微程序，微程序在制造CPU时就已存储于微服务存储器。一个微程序包含若干条微指令（也称微码），执行复杂指令时，实际上是在执行一个微程序。这也带来两种指令集的一个差别，微程序的执行是不可被打断的，而RISC指令之间可以被打断，所以理论上RISC可更快响应中断。