嵌入式系統(tǒng)是市場(chǎng)上大多數(shù)電子產(chǎn)品的心臟和核心。這是硬件與軟件相結(jié)合的工程實(shí)施。我們被嵌入式系統(tǒng)的世界所包圍，在生物識(shí)別門(mén)鎖、飛機(jī)、汽車、心臟起搏器等方面都有微型計(jì)算機(jī)。這些資源受限、小巧、智能且功能強(qiáng)大的系統(tǒng)幫助我們完成日常任務(wù)。

曾經(jīng)想過(guò)我們的身體如何運(yùn)作、神經(jīng)系統(tǒng)、大腦和多任務(wù)處理能力。如果將所有這些功能結(jié)合起來(lái)，您將大致了解生物嵌入式系統(tǒng)。我們的大腦隱藏了其內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜功能細(xì)節(jié)，但仍允許我們將其控制到最大潛力。嵌入式系統(tǒng)中使用的處理器或控制器也有同樣的復(fù)雜性。它們隱藏了復(fù)雜的細(xì)節(jié)，并為我們提供了一個(gè)高級(jí)界面來(lái)處理。對(duì)于抽象級(jí)別，可以將高級(jí)編程語(yǔ)言中用于添加兩個(gè)數(shù)字的代碼如何導(dǎo)致芯片中的寄存器處理位并將輸出返回給用戶的方式聯(lián)系起來(lái)。

處理器架構(gòu)

中央處理單元，指微處理器和微控制器，在控制單元 （CU） 和算術(shù)邏輯單元 （ALU）的幫助下執(zhí)行特定任務(wù)。由于指令是從 RAM 傳遞的，CPU 在其兩個(gè)幫助單元的幫助下通過(guò)創(chuàng)建變量并為其分配值和內(nèi)存來(lái)進(jìn)行操作。了解 CPU 在其架構(gòu)的幫助下如何執(zhí)行所有這些操作非常重要。如果您想了解有關(guān)微控制器工作原理的更多信息，可以閱讀這篇微控制器基礎(chǔ)文章。

每個(gè) CPU 都有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)與 CPU 一起工作以獲得輸出。程序提供指令，而數(shù)據(jù)提供要處理的信息。為了訪問(wèn)程序和數(shù)據(jù) CPU 使用總線，這些總線是電線，更準(zhǔn)確地說(shuō)，這些是您可能在印刷電路板上看到的電線跡線。這些年來(lái)，微控制器和微處理器通過(guò)適應(yīng)各種架構(gòu)而發(fā)展，基于應(yīng)用或設(shè)計(jì)要求，微控制器的選擇受其中使用的架構(gòu)類型的影響。讓我們來(lái)看看流行的架構(gòu)。

馮諾依曼/普林斯頓建筑

CPU 訪問(wèn)程序和數(shù)據(jù)的方式說(shuō)明了 CPU 的體系結(jié)構(gòu)。早些時(shí)候，單條總線用于訪問(wèn)程序和數(shù)據(jù)。這種類型的建筑被稱為馮諾依曼建筑或更簡(jiǎn)單的普林斯頓建筑。用于獲取代碼和數(shù)據(jù)的單一總線意味著，它們會(huì)相互阻礙并減慢 CPU 的處理速度，因?yàn)樗鼈儽仨毜却龑?duì)方完成獲取。這種限制也稱為馮諾依曼瓶頸條件。

哈佛建筑

為了加快這一進(jìn)程，哈佛架構(gòu)被提出。在該架構(gòu)中，存在用于數(shù)據(jù)和程序的單獨(dú)數(shù)據(jù)總線。所以這意味著這個(gè)架構(gòu)提出了使用四總線

一組數(shù)據(jù)總線，攜帶數(shù)據(jù)進(jìn)出 CPU。

一組用于訪問(wèn)數(shù)據(jù)的地址總線。

一組數(shù)據(jù)總線，用于將代碼傳送到 CPU 中。

用于訪問(wèn)代碼的地址總線。

使用單獨(dú)的地址總線和數(shù)據(jù)總線意味著 CPU 的執(zhí)行時(shí)間較短，但這是以設(shè)計(jì)架構(gòu)的復(fù)雜性為代價(jià)的。馮諾依曼架構(gòu)可能聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)懶惰，但它具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng) CPU 和內(nèi)存單元共享相同的空間或 RAM 和 ROM 與處理單元內(nèi)置（片上）時(shí)，哈佛架構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)，例如在距離以微米和毫米為單位的微控制器中。但是，如果保存代碼的內(nèi)存位于處理單元外部，例如x86 IBM PC中的內(nèi)存，則很難實(shí)現(xiàn)相同的架構(gòu)。為主板上的數(shù)據(jù)和地址設(shè)置一組單獨(dú)的走線會(huì)使主板變得復(fù)雜且昂貴。讓我們通過(guò)一個(gè)處理器的例子來(lái)理解它。

具有 64 位數(shù)據(jù)總線和 32 位地址總線的處理器將需要大約 100 條總線（其中 96 條用于數(shù)據(jù)和地址總線，而其他一些用于控制信號(hào)）來(lái)實(shí)現(xiàn) Von-Neumann 架構(gòu)。如果使用哈佛架構(gòu)實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)構(gòu)，則雙線走線將花費(fèi)大約 200 條，并且大量引腳從處理器中出來(lái)。出于同樣的原因，我們看不到為 PC 和工作站實(shí)現(xiàn)的純哈佛架構(gòu)。取而代之的是，使用改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu)，其中使用帶有 CPU 高速緩存存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)來(lái)分離程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)根據(jù)進(jìn)程響應(yīng)時(shí)間的層次結(jié)構(gòu)分離存儲(chǔ)。

指令集架構(gòu)

當(dāng)程序（代碼）被加載到系統(tǒng)的內(nèi)存（RAM）中時(shí)，它由 CPU（指微處理器和微控制器）獲取以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，這與我們?cè)谟?xùn)練狗時(shí)發(fā)出指令非常相似某些動(dòng)作和命令。當(dāng)這些指令作用于某些晶體管時(shí)，它們會(huì)從一個(gè)邏輯電平變?yōu)榱硪粋€(gè)邏輯電平以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。所以基本上在指令的幫助下，人類程序員與處理器進(jìn)行通信。每個(gè) CPU 都有自己的指令集，即基于其架構(gòu)和功能的指令集合。

CPU 以 0 和 1 的組合來(lái)理解這些指令，也稱為操作碼。對(duì)于人類程序員來(lái)說(shuō)，很難記住與 CPU 相關(guān)的每條指令的 0 和 1 的組合。為了簡(jiǎn)化人類程序員的工作，我們提供了這些指令的高級(jí)接口，編譯器將它們轉(zhuǎn)換為 0 和 1 的形式以供其處理。同樣在每個(gè)CPU的指令集中，它可以理解的指令數(shù)量是有限的。

CPU的性能

您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)與CPU 性能相關(guān)的 CPU 時(shí)鐘頻率這個(gè)術(shù)語(yǔ)。CPU 的時(shí)鐘頻率通常以 MHz（兆赫茲）或 GHz（千兆赫茲）為單位，例如 25 GHz 時(shí)鐘頻率。與時(shí)鐘速率相關(guān)的數(shù)字表示 CPU 內(nèi)的時(shí)鐘以每秒周期為單位滴答的次數(shù)。時(shí)鐘頻率的實(shí)用性可以通過(guò)以下事實(shí)來(lái)理解：指令是根據(jù) CPU 的時(shí)鐘周期執(zhí)行的，該時(shí)鐘周期與 CPU 一次可以運(yùn)行的程序數(shù)量成正比。

CPU的性能取決于程序中寫(xiě)入的指令數(shù)量，指令越多，CPU執(zhí)行它們所花費(fèi)的時(shí)間就越多。它還取決于執(zhí)行每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)，某些指令需要比其他指令更多的時(shí)鐘周期才能執(zhí)行，因此它們落后于 CPU 的性能。程序中的指令和執(zhí)行每條指令所需的周期彼此成反比。改變一個(gè)會(huì)影響另一個(gè)。這就是 CPU 行業(yè)的分界點(diǎn)。

RISC 和 CISC 指令集架構(gòu)

如上所述，程序的執(zhí)行和 CPU 的性能取決于程序中的指令數(shù)量，其中指令作為指令集的一部分被提交給特定的 CPU，第二個(gè)因素是程序中的時(shí)鐘周期數(shù)其中每條指令都被執(zhí)行。基于這兩個(gè)因素，目前有兩個(gè)可用的指令集。其中最早的是復(fù)雜指令集計(jì)算（CISC），而另一個(gè)是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算（RISC）。讓我們?cè)敿?xì)討論這些架構(gòu)中的每一個(gè)，以了解RIC 和 CISC 架構(gòu)之間的區(qū)別。

復(fù)雜指令集計(jì)算 （CISC）

CISC 代表復(fù)雜指令集計(jì)算。CISC的主要目的是減少程序執(zhí)行的指令數(shù)量，這是通過(guò)將許多簡(jiǎn)單的指令（如地址模式，加載等）組合在一起并形成單個(gè)復(fù)雜指令來(lái)完成的。CISC指令包括一系列簡(jiǎn)單指令以及一些需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能執(zhí)行的特殊指令。CISC 指令可以直接在內(nèi)存上工作，而無(wú)需寄存器的干預(yù)，這意味著它不需要一些基本指令，如加載值和內(nèi)存 （RAM） 的要求。CISC 指令更強(qiáng)調(diào)硬件而不是軟件，這意味著不是將負(fù)載放在編譯器上，CISC使用晶體管作為硬件來(lái)解碼和執(zhí)行指令。然而，由于指令很復(fù)雜并且由多個(gè)步驟組成，它們?cè)诟嗟臅r(shí)鐘周期中執(zhí)行。

一個(gè)簡(jiǎn)單的類比是當(dāng)您被告知打開(kāi)書(shū)并閱讀第 3章的第 2頁(yè)時(shí)。在這一系列活動(dòng)中，您需要執(zhí)行多個(gè)步驟，例如從包里找到這本書(shū)，而不是將頁(yè)面拖到第 3 章，然后轉(zhuǎn)到第 2章然后開(kāi)始閱讀。如果將一系列步驟組合在讀取第 44 頁(yè)（即第 3 章的第 2 頁(yè)碼）的單個(gè)指令中，我們將得到一條 CISC 指令。

精簡(jiǎn)指令集計(jì)算 （RISC）

第一個(gè)集成芯片是由 Jack Kilby 在 1958 年設(shè)計(jì)的，它是一個(gè)振蕩器，并在 1970 年第一個(gè)商用微處理器由 Intel 推出。雖然在處理器開(kāi)始時(shí)沒(méi)有 CISC。但隨著計(jì)算需求的繁重，CISC 架構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜且難以處理。IBM 由 John Coke對(duì) CISC 架構(gòu)進(jìn)行了全面重新設(shè)計(jì)，稱為 RISC 。因此，為了區(qū)分這兩種架構(gòu)，引入了術(shù)語(yǔ)RISC 和 CISC。

RISC 代表精簡(jiǎn)指令集計(jì)算。RISC 的主要?jiǎng)訖C(jī)是在指令的大小和執(zhí)行方面引入統(tǒng)一性。這是通過(guò)引入可以作為每個(gè)周期一條指令執(zhí)行的簡(jiǎn)單指令集來(lái)完成的，這是通過(guò)將諸如加載和存儲(chǔ)之類的復(fù)雜指令分解為不同的指令來(lái)完成的，其中每條指令大約需要一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)執(zhí)行。RISC 架構(gòu)包括可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的相同大小的簡(jiǎn)單指令?；?RISC 的機(jī)器在將每條指令加載到寄存器時(shí)需要比 CISC 更多的 RAM來(lái)保存值。每個(gè)周期執(zhí)行一條指令使基于 RISC 的機(jī)器具有流水線的優(yōu)勢(shì)（流水線是在執(zhí)行第一條指令之前加載下一條指令的過(guò)程，這提高了執(zhí)行效率）。RISC 體系結(jié)構(gòu)更多地強(qiáng)調(diào)軟件而不是硬件，并且需要用更少的指令編寫(xiě)更高效的軟件（編譯器、代碼）。由于有多條指令， RISC的實(shí)現(xiàn)可能聽(tīng)起來(lái)很困難，但它是由指令的大小和每條指令在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的事實(shí)證明的。

一個(gè)簡(jiǎn)單的類比，可以理解何時(shí)必須執(zhí)行閱讀本書(shū)的每個(gè)步驟，方法是找到書(shū)，然后找到頁(yè)面，然后找到章節(jié)，最后開(kāi)始閱讀。

比較 RISC 與 CISC 架構(gòu)

當(dāng)我們比較 RISC 和 CISC時(shí)，RISC 和 CISC 架構(gòu)之間沒(méi)有贏家，這完全取決于應(yīng)用程序和使用場(chǎng)景。RISC通過(guò)考慮每條指令的周期來(lái)強(qiáng)調(diào)效率，而CISC通過(guò)程序中的指令數(shù)量來(lái)強(qiáng)調(diào)效率。為了提高效率，CISC 依賴于幾行代碼，而 RISC 減少了每條指令的執(zhí)行時(shí)間。公平地說(shuō)，在共同基礎(chǔ)上比較基于這兩種架構(gòu)的微控制器和微處理器是不可能的。

以兩個(gè) 8 位數(shù)字相乘的指令為例，基于 CISC 的處理器大約需要 70-80 個(gè)時(shí)鐘周期，而基于 RISC 的處理器大約需要 30-40 個(gè)時(shí)鐘周期，這使其比 CISC 快 2 倍。此外，與基于 RISC 的 CPU 中的單周期處理相比，基于 CISC 的 CPU 需要更多時(shí)鐘周期來(lái)執(zhí)行指令流水線化是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

CISC 和 RISC 架構(gòu)在哪里使用？

在處理器和控制器誕生之初，只有CISC 架構(gòu)存在，盡管官方名稱 CISC 并不存在。但是隨著編譯器等軟件的引入，基于 RISC 的架構(gòu)開(kāi)始發(fā)展。英特爾從一開(kāi)始就依賴于 CISC 架構(gòu)。蘋(píng)果、愛(ài)特梅爾等幾家愿意在RISC上冒險(xiǎn)的公司。幾年后，由于改進(jìn)困難，CISC變得有點(diǎn)過(guò)時(shí)和不受歡迎。然而，英特爾從未離開(kāi) CISC 并繼續(xù)為改進(jìn)而開(kāi)發(fā)。

目前，RISC 和 CISC 架構(gòu)之間的區(qū)別非常小。ARM 設(shè)備、Atmel 基于 AVR的設(shè)備（如Arduino、PIC 和幾乎所有智能手機(jī)制造商）都使用RISC 架構(gòu)，因?yàn)樗鼈兯俣雀臁①Y源消耗更少且能效更高。Intel x86 系列和 8051 控制器中仍然存在純粹基于 CISC 的設(shè)備。AMD 等制造商在其第 5代K5系列中使用RISC 和 CISC 的混合體。在應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上，CISC 更適合自動(dòng)化設(shè)備，而 RISC 更適合視頻和圖像處理設(shè)備。