一、可编程器件的编程原理
1、电子器件的发展方向
- 信号：模拟器件 -> 数字器件
- 芯片：ASIC -> 可编程器件
很多年前的电视机都是模拟信号，比较好的是日本松下等。后来美国发明了
数字信号。
ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）即专用集成电路，ASIC是专用的，在出厂时已经确定了功能，不可编程。后来发明了可编程器件，在出厂时预留了可以编程的部分。
2、可编程器件的特点
- CPU在固定频率的时钟控制下节奏运行。（和CPU的主频有关，成反比）
- CPU可以通过总线读取外部存储设备中的二进制指令集，然后解码执行。
这些可以被CPU解码执行的二进制指令集是CPU设计的时候确定的，是CPU的设计者（ARM公司）定义的，本质上是一串由1和0组成的数字。这就是CPU的汇编指令集。
3、整个编程及运行过程
- 程序员用汇编指令编程 --经汇编器汇编成二进制可执行程序文件-->二进制文件被CPU读取进去-->CPU内部电路对二进制文件解码-->解码通过则CPU执行指令、完成指令动作。
- 如果程序员用C语言等高级语言编程，则编译器先将C语言程序编译为汇编程序，再进行上面的后续部分。
上图中，Elf格式文件是linux系统中的可执行程序，而window中的可执行程序是exe。
二、指令集对CPU的意义
1、汇编语言和C语言等高级语言的差别
- 汇编难写，C好写
- 汇编无可移植性，C语言有一定可移植性，Java等更高级语言移植性更强。
- 汇编语言效率最高，C语言次之，Java等更高级语言效率更低。
- 汇编不适合完成大型复杂的项目，更高级语言更适合完成更大、更复杂的项目。
2、汇编语言的本质
- 汇编的实质是机器指令（机器码）的助记符，是一种低级符号语言。
- 机器指令集是一款CPU的编程特征，是这款CPU的设计者制定的。CPU的内部电路设计就是为了实现这些指令集的功能。机器指令集就好象CPU的API接口一样。
3、编程语言的发展过程
- 纯机器码编程
- 汇编语言编程（不同的CPU，汇编语言不同，因此汇编语言不适合移植）
- C语言编程
- C++语言编程
- Java 、C#等语言编程
- 脚本语言编程
4、总结
- 汇编语言就是CPU的机器指令集的助记符，是一款CPU的本质特征。
- 不同CPU的机器指令集设计不同，因此汇编程序不能在不同CPU间互相移植。
- 使用汇编编程可以充分发挥CPU的设计特点，所以汇编编程效率最高，因此在操作系统内核中效率极其重要处都需要用汇编处理。
三、RISC和CISC的区别
1、概念和设计理念
1.1、CISC
- CISC：complex instruction set computer复杂指令集CPU
- 乘加指令 = 乘法 + 加法，类似于C语言中的int a=b*c+d;
- CISC体系的设计理念是用最少的指令来完成任务（譬如计算乘法只需要一条MUL指令即可），因此CISC的CPU本身设计复杂、工艺复杂，但好处是编译器好设计。CISC出现较早，至今Intel还一直采用CISC设计
1.2、RISC
- RISC：Reduced Instruction-Set Computer精简指令集CPU。(ARM使用)
- RISC的设计理念是让软件来完成具体的任务，CPU本身仅提供基本功能指令集。因此RISC CPU的指令集中只有很少的指令，这种设计相对于CISC，CPU的设计和工艺简单了，但是编译器的设计变难了。
1.3、RISC与CISC指令数对比
- 一般典型CISC CPU指令在300条左右
- ARM CPU常用指令30条左右
2、CPU设计发展方向
- 早期简单CPU，指令和功能都很有限
- CISC年代 —— CPU功能扩展依赖于指令集的扩展，实质是CPU内部组合逻辑电路的扩展。
- RISC年代 —— CPU仅提供基础功能指令（譬如内存与寄存器通信指令，基本运算与判断指令等），功能扩展由使用CPU的人利用基础架构来灵活实现。
- 最终：没有纯粹的RISC或CISC，发展方向是RISC与CISC结合，形成一种介于2者之间的CPU类型。
四、统一编址&独立编址&哈佛结构&冯诺依曼结构
1、统一编址和独立编址
1.1、什么是IO，什么是内存
- 内存是程序的运行场所，内存和CPU之间通过总线连接，CPU通过一定的地址来访问具体内存单元。
- IO（input and output）是输入输出接口，是CPU和其他外部设备（如串口、LCD、触摸屏、LED等）之间通信的道路。一般的，IO就是指CPU的各种内部或外部外设。
1.2、内存的访问方式
- 内存通过CPU的地址总线来寻址定位，然后通过CPU数据总线来读写。
- CPU的地址总线的位数是CPU设计时确定的，因此一款CPU所能寻址的范围是一定的，而内存是需要占用CPU的寻址空间的。
- 内存与CPU的这种总线式连接方式是一种直接连接，优点是效率高访问快，缺点是资源有限，扩展性差。
1.3、IO的访问方式（统一编址和独立编址）
- IO指的是与CPU连接的各种外设
- CPU访问各种外设有2种方式：一种是类似于访问内存的方式，即把外设的寄存器当作一个内存地址来读写，从而以访问内存相同的方式来操作外设，叫IO与内存统一编址方式；另一种是使用专用的CPU指令来访问某种特定外设，叫IO与内存独立编址。
1.4、对比
- 由于内存访问频率高，因此采用总线式连接，直接地址访问，效率最高。
- IO与内存统一编址方式，优势是将IO当作内存来访问，编程简单；缺点是IO也需要占用一定的CPU地址空间，而CPU的地址空间是有限资源。
- IO与内存独立编织方式，优势是不占用CPU地址空间，缺点是CPU设计变复杂了。
2、冯诺依曼结构与哈佛结构
2.1、程序和数据
- 程序运行时两大核心元素：程序 + 数据
- 程序是我们写好的源代码经过编译、汇编之后得到的机器码，这些机器码可以拿给CPU去解码执行，CPU不会也不应该去修改程序，所以程序是只读的。
- 数据是程序运行过程中定义和产生的变量的值，是可以读写的，程序运行实际就是为了改变数据的值。
2.2、冯诺依曼结构与哈佛结构
- 程序和数据都放在内存中，且不彼此分离的结构称为冯诺依曼结构。譬如Intel的CPU均采用冯诺依曼结构。冯诺依曼结构认为，程序与数据在机器中存储时都是用1010存储的，在机器中存储的格式是一样的，所以将它们一起存储。
- 程序和数据分开独立放在不同的内存块中，彼此完全分离的结构称为哈佛结构。譬如大部分的单片机（MCS51、ARM9等）均采用哈佛结构。
2.3、优劣对比
- 冯诺依曼结构中程序和数据不区分的放在一起，因此安全和稳定性是个问题（因为程序不需要改变，所以程序应该是只读的，而数据是需要改变的，是可读可写的。所以冯诺依曼结构不太安全），好处是处理起来简单。
- 哈佛结构中程序（单片机中一般放在ROM、flash中）和数据（单片机中一般放在RAM中）独立分开存放，因此好处是安全和稳定性高，缺点是软件处理复杂一些（需要统一规划链接地址等）
- 在单片机中一般ROM和RAM是分开的，在嵌入式中现在ROM和RAM是在一起的，都在内存中。
- 在嵌入式体系中，需要搞清楚CPU的地址总线中是怎么连接的，那一地址是分给谁的，那个谁是干什么用的，什么时候使用它。
五、软件编程控制硬件的关键—寄存器
为什么我写个软件，硬件就会做出反应，为什么软件可以控制硬件呢。
1、什么是寄存器
- 寄存器属于CPU外设的硬件组成部分
- CPU可以像访问内存一样访问寄存器
- 寄存器是CPU的硬件设计者制定的，目的是留作外设被编程控制的“活动开关”
- 正如汇编指令集是CPU的编程接口API一样，寄存器是外设硬件的软件编程接口API。使用软件编程控制某一硬件，其实就是编程读写该硬件的寄存器。
2、寄存器的演示
- 请看S5PV210 datasheet
- 寄存器地址是连续的，内部没有数据
- 编程操作寄存器类似于访问内存
- 寄存器按位来访问（一般CPU都是32位地址总线，单个寄存器也是32位地址。单个寄存器有8个引脚，每个引脚引用4位，共32位）。
- 寄存器中每个bit位都有特定含义，因此编程操作时需要位操作。
- 单个寄存器的位宽一般和CPU的位宽一样，以实现最佳访问效率
3、两类寄存器
SoC中有2类寄存器：通用寄存器和SFR
3.1、 通用寄存器
（1）通用寄存器（ARM中有37个）是CPU的组成部分，CPU的很多活动都需要通用寄存器的支持和参与。
- 通用寄存器一般是可读可写的，它的作用没有进行固定功能设计。
3.2、 SFR（special function register，特殊功能寄存器）
（1）SFR（special function register，特殊功能寄存器）不在CPU中，而存在于
CPU的外设中，我们通过访问外设的SFR来编程操控这个外设，这就是硬件编程控制的方法。
（2）SFR（特殊功能寄存器）是只读的，是和某一个特定的外设绑定的，寄存器中的每一个位都已经确定了作用，是不能改的。
六、ARM体系结构总结
1、ARM是RISC架构的
- 常用ARM汇编指令只有二三十条
- ARM是低功耗CPU
- ARM的架构非常适合单片机、嵌入式，尤其是物联网领域；而服务器等高性能领域目前主导还是Intel
2、ARM是统一编址的
- 大部分ARM（M3 M4 M7 M0 ARM9 ARM11 A8 A9等）都是32位架构
- 32位ARM CPU支持的内存少于4G（ARM中IO和内存是统一编址的，特殊功能寄存器需要占用一部分CPU空间，所以小于4G），通过CPU地址总线来访问。
- SoC中的各种内部外设通过各自的SFR编程访问，这些SFR的访问方式类似于访问普通内存，这叫IO与内存统一编址。
3、ARM是哈佛结构的
- 常见ARM（除ARM7外，已淘汰）都是哈佛结构的
- 哈佛结构保证了ARM CPU运行的稳定性和安全性，因此ARM适用于嵌入式领域
- 哈佛结构也决定了ARM裸机程序（使用实地址即物理地址）的链接比较麻烦，必须使用复杂的链接脚本告知链接器如何组织程序；对于OS之上的应用（工作在虚拟地址之中）则不需考虑这么多