如今，微控制器的功能日漸強(qiáng)大，已經(jīng)從早期的單片機(jī)轉(zhuǎn)向基于SoC結(jié)構(gòu)的MCU體系。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，內(nèi)核成為了決定一顆MCU的性能和應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵。比如我們常說(shuō)MCU的位數(shù)就是根據(jù)內(nèi)核來(lái)確定的，不同的內(nèi)核代表了不同的MCU性能。例如，早期的8051就是8位單片機(jī)的典型內(nèi)核，現(xiàn)在主流的Arm Cortex M系列則代表了32位MCU最常見(jiàn)的內(nèi)核；Cortex M0+則是低功耗低成本MCU的標(biāo)簽；Cortex M7內(nèi)核的MCU作為高性能微控制器的代表甚至可以進(jìn)行部分視頻處理應(yīng)用，而PowerPC架構(gòu)的內(nèi)核則常見(jiàn)于汽車動(dòng)力總成部分的MCU應(yīng)用場(chǎng)景。

如何配置強(qiáng)大的CPU內(nèi)核？

內(nèi)核是一顆MCU中的主處理單元（也可以說(shuō)是MCU的CPU），內(nèi)核基本決定了一顆MCU半數(shù)以上的技術(shù)指標(biāo)，因此對(duì)CPU內(nèi)核進(jìn)行配置就成為應(yīng)用MCU的最關(guān)鍵步驟。今天我們就以東芝的TLCS-870/C1內(nèi)核作為示例，帶大家共同學(xué)習(xí)一下CPU整體配置的基本知識(shí)。

首先我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下微控制器的各個(gè)基本功能，如下圖所示，CPU具有用于存放微控制器中各種數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)電路以及用于執(zhí)行計(jì)算的運(yùn)算電路。其中各個(gè)部分功能如下。

PSW（程序狀態(tài)字）：用于保存操作結(jié)果和指令執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)的寄存器，由各種標(biāo)志組成。

通用寄存器：用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)電路，根據(jù)存儲(chǔ)電路的位置，通用寄存器分別稱為W、A、B、C、D、E、H、L等。儲(chǔ)存計(jì)算結(jié)果的地方稱為累加器。在TLCS-870/C1中，W、A、B、C、D、E、H、L、IX和IY這十個(gè)寄存器具有累加器功能。

程序計(jì)數(shù)器（PC）：用于儲(chǔ)存存儲(chǔ)器地址以讀取指令的存儲(chǔ)電路。

ALU（算術(shù)邏輯單元）：用于執(zhí)行計(jì)算的運(yùn)算電路。

指令寄存器：用于暫時(shí)存儲(chǔ)讀取指令的存儲(chǔ)電路。

指令解碼器：對(duì)存儲(chǔ)在指令寄存器中的指令進(jìn)行解密，并將其發(fā)送到控制單元。

中斷控制電路：用來(lái)控制中斷功能。

在這些功能中，程序計(jì)數(shù)器（PC）是管理下一步要執(zhí)行指令存儲(chǔ)地址的寄存器。每次執(zhí)行一條指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器指定的地址將進(jìn)行＋n處理（1字指令為＋1，2字指令為＋2）。當(dāng)在中斷指令等情況下，PC將存儲(chǔ)跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址。CPU從PC讀取下一條要執(zhí)行指令所在的地址，并依次執(zhí)行。例如，如果PC中存儲(chǔ)了0x8020（地址），則意味著CPU正在執(zhí)行地址為0x8019的指令。如果從PC讀取了地址0x8020，則CPU下一步要執(zhí)行指令的地址0x8021將儲(chǔ)存在PC中。這個(gè)過(guò)程可以參考圖2所示的流程示意。

而通用寄存器可用于各種用途，例如累加器和數(shù)據(jù)處理。TLCS-870/C1有八個(gè)8位寄存器：W、A、B、C、D、E、H和L。這八個(gè)寄存器也可以作為16位寄存器成對(duì)使用：WA、BC、DE和HL。這些組合只適用于相鄰的寄存器，例如，B和E、H和E等不能組合。此外，TLCS-870/C1還有兩個(gè)16位通用寄存器IX和IY。這些寄存器主要作為訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)的索引寄存器。

在CPU執(zhí)行指令后，會(huì)有一個(gè)標(biāo)志指示存儲(chǔ)器的內(nèi)容以及計(jì)算結(jié)果的狀態(tài)。PSW（程序狀態(tài)字）的作用就是收集這些標(biāo)志。下圖是A寄存器（00111110）和B寄存器（11100000）相加的例子。計(jì)算結(jié)果（100011110）本應(yīng)儲(chǔ)存在A寄存器中。但是，由于A寄存器只能儲(chǔ)存8位，所以將進(jìn)位標(biāo)設(shè)置為“1”，并將進(jìn)位標(biāo)志保留為發(fā)生進(jìn)位的信息。因此，在A寄存器中，存儲(chǔ)不包括最高有效位1的（00011110）作為計(jì)算結(jié)果。例如，如果計(jì)算結(jié)果是（100000000），則在進(jìn)位標(biāo)志中設(shè)置1，（00000000）儲(chǔ)存在A寄存器中，所以在零標(biāo)志中設(shè)置1。

今天我們跟大家一起了解了微控制器的CPU部分功能單元和基本指令執(zhí)行的知識(shí)，下一節(jié)我們將帶大家一起認(rèn)識(shí)另一個(gè)CPU配置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)“中斷處理”。請(qǐng)大家持續(xù)關(guān)注哦～

來(lái)源：東芝半導(dǎo)體
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審核編輯 黃宇