从CPU说起

从CPU说起

最近以来，有感于接收的信息越来越零碎，越来越杂，不成体系，打算从开始理顺逻辑，囿于认知水平以及掌握的知识，难免有错误。

• CPU

一个典型系统的的硬件组成可由下图给出：

对于CPU来说，核心是PC寄存器（Program Counter，

程序计数器），其指向主存中的某条机器语言指令，寄存器文件中还包含其他寄存器，一般都用于传送数据以及算术逻辑运算。

对于典型的8086来说，寄存器文件包含16个通用寄存器，其中比较重要的有CS（Code Segment，代码段寄存器）、DS(Data Segment，数据段寄存器)以及IP(Instruction Pointer，指令指针寄存器)，代码段与数据段以及附加段的概念是针对内存分段来说，程序在编译时，编译器会进行内存地址分配，CS与IP一起配合来完成CPU的指令寻址，进而完成指令解码以及执行，CS指向代码段的基地址，IP指向当前指令相对于基址的偏移地址。

对于ARM系列的Cortex-M3来说，其CPU组成如下：

共有R0-R15共16个寄存器，其中R0-R12都是通用寄存器(General-Purpose Register)，用于操作数据，R13是堆栈寄存器，包含MSP(Main Stack Pointer，主堆栈指针)以及PSP(Process Stack Pointer,进程堆栈指针)，但任一时刻只能选择使用一个，R14，链接寄存器(link register)用于保存调用子程序时的返回地址。

R15就是程序计数寄存器PC，指向当前执行的程序的地址。

一般，CPU在指令的要求下可能会执行以下操作：

加载：把一个字节或者字从主存复制到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容；

存储：把一个字节或字从寄存器复制到主存的某个位置，以覆盖这个位置上原来的内容；

操作：把两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个字进行算术操作，同时将结果存放到一个寄存器；

跳转：从指令本身抽取一个字，并把这个字复制到程序计数器（PC）中，以覆盖原来的内容，实现程序跳转；

而不同的指令集描述了每条机器代码指令的效果，即如何实现上述四种操作。

在每次上电开始运行时，都要将部分或者全部的数据段以及代码段等内容从flash闪存或者rom中搬运到ram中，以供CPU读取数据与指令，从而完成程序执行，但在加电的瞬间，ram中空空如也，要实现程序的运行，就要靠引导程序。

在8086系列的CPU中，都是通过硬件设计来实现BIOS程序的跳转，即将CPU硬件逻辑设计为加电瞬间强行将CS、IP的值设置为某个特定值，从而完成程序跳转；

对于Cortex-M3来说，则要靠启动文件startup_xxxx.s，其全由汇编语言编写完成，主要完成设置CPU状态、关闭写缓冲和Cache、初始化内存控制器、设置CPU运行时钟、创建堆栈等，最后跳转到c语言中的Main函数；

上图为某启动文件的描述。可以看出，将PC初始化设置为Reset_Handler的入口地址，在最后一步操作中，跳转到main()函数。

• 总线、指令与流水线
• 存储设备以及缓存
• 编译、链接、库

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