一、CPU、MPU、MCU、SoC、Application Processors的概念

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在一个电子系统中，处理器占据最重要的位置，被称为中内处理器单元：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。

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。比如Motorola公司的68000芯片就是一款主流的微处理器(MPU)。下图是一款Alpha Micro AM-1000系列的微型计算机电路板，电路板右侧中间最大的芯片就是MPU 68000。

后来MPU逐渐式微，可以认为MPU发现到现在只剩下了intel、AMD公司x86系列CPU。这类CPU也越来越复杂，称之为“微处理器”似乎不恰当了。在个人电脑领域，可以看到类似下图的主板。主板上插上CPU、内存条、声卡等等就构成了一台计算机。整个主板体积庞大、制造复杂：

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：

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。

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。

众所周知的三级流水线：取址、译码、执行的对象就是CPU，差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取(Fetch)、解码(Decode)、执行(Execute)和写回(Writeback)。

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。

2.MPU (Micro 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”。

3.MCU (Micro Controller Unit)

微控制器单元，有时又称为单片机。

MCU内部集成了处理器和各类模块，比如USB控制器、UART控制器、内存、Flash等等。只需要外接少量的器件，就可以搭建一个电子系统。

C51芯片、STM32等芯片，都是MCU。

MCU芯片内部的内存或Flash，容量在几KB、几百KB、几MB的量级，一般不再需要外接内存或Flash。

4.SoC(System on Chip)

SoC(System on Chip，整体的一个电路系统，完成一个具体功能的东西)：指的是片上系统，MCU只是芯片级的芯片，而SoC是系统级的芯片，它既MCU那样有内置RAM、ROM同时又像MPU那样强大，不单单是放简单的代码，可以放系统级的代码，也就是说可以运行操作系统（以Linux OS为主）(将就认为是MCU集成化与MPU强处理力各优点二合一)。

5.Application Processors

手机中的主芯片跟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。

在手机中，这个主芯片一般用来处理显示、输入，运行用户的程序，所以称它为“Application Processors”。

“Application Processors”的概念可以扩展到其他场景，不再局限于手机。

跟MCU进行比较，Application Processors有以下不同：

• a. 集成了更多的模块：

  • Application Processors内部集成了更多的模块，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。
  • 这里又引入一个概念“片上系统”(SoC，System on Chip)，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。
  • 在手机电路板中，可用空间非常小。Application Processors还需要搭配内存芯片才可以使用，于是发展出了一种名为package-on-package (PoP)的工艺：在电路板上先焊接Application Processors，在Application Processors上面再焊接内存芯片，即2个芯片叠在一起。

• b. 运行的操作系统不同：

  • MCU上一般不运行操作系统，或是运行一些资源耗费较小的小型实时操作系统(RTOS)。
  • MCU一般用来处理实时性要求高的事情，处理一些比较简单的事情。
  • 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。

在这里做个总结：CPU发展从MPU开始并分为两个路线，一条线路是专用CPU（比如我们个人电脑上的CPU），另一条线路是走集成路线，把CPU与其他模块集成到一起形成MCU（微控制器），MCU继续发展形成AP（应用处理器）。注意：对于芯片可以分为两类：MCU与AP，但在日常工作中，与MCU对应的除了AP还有MPU，MCU是用来跑单片机，而AP/MPU是用来跑Linux操作系统，这里会与前面的总结冲突，我们只需要知道AP/MPU是与MCU相对的即可。

二、哈弗架构与冯诺伊曼架构

CPU架构可以分为哈弗架构与冯诺伊曼架构。哈弗架构中指令与数据分开存放，CPU可以同时读入指令、读写数据。冯诺伊曼架构中指令、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。

ARM公司的芯片，ARM7及之前的芯片是冯诺伊曼架构，ARM7之后使用“改进的哈弗架构”。“改进的哈弗结构”如下所示：

在“改进的哈弗架构”里，指令和数据在外部存储器中混合存放；CPU运行时，从指令cache中获得指令，从数据cache中读写数据。

三、XIP概念

eXecute In Place, 本地执行。可以不用将代码拷贝到内存，而直接在代码的存储空间运行。

四、嵌入式系统硬件组成

一句话引出整个嵌入式系统: 支持多种设备启动

问题引出:

a. 系统支持SPI FLASH启动，
这意味着可以运行SPI FLASH上的代码

b. 但是SPI FLASH不是XIP设备,，
cpu无法直接执行里面的代码

问题来了，
CPU如何执行SPI FLASH上的代码?
一上电, CPU执行的第1个程序、第1条指令在哪里?

答案:
a. ARM板子支持多种启动方式：XIP设备启动、非XIP设备启动等等。
比如：Nor Flash、SD卡、SPI Flash, 甚至支持UART、USB、网卡启动。
这些设备中，很多都不是XIP设备。

问：既然CPU无法直接运行非XIP设备的代码，为何可以从非XIP设备启动？
答：上电后，CPU运行的第1条指令、第1个程序，位于片内ROM中(ROM是只读的，同时用C语言编写即可)，它是XIP设备。
这个程序会执行必要的初始化，
比如设置时钟、设置内存；
再从"非XIP设备"中把程序读到内存；
最后启动这上程序。

猜测: ARM芯片内部有很多部件，这是一个片上系统(System on chip),
      比如有：
	  cpu
	  rom（只读）
	  ram（可读可写但容量较小）
	  memory controller --- ddr
	  sd/mmc controller --- sd card
	  spi controller    --- spi flash
	  usb controller    --- usb storage device
	  uart controller
	  ......
	  interrtupt controller

b. 跟PC的类比
CPU ---- 单独的芯片
启动设备 ---- BIOS芯片
DDR ---- 单独的可拔插式模块
存储设备 ---- SATA硬盘，可拔插
usb controller …

五、嵌入式系统启动流程概述

主芯片内部有ROM，ROM程序协助从非XIP设备启动。
以SD卡启动为例。
而CPU只能运行XIP设备中的程序
ROM程序做什么？
显然：ROM需要把SD卡上的程序读到内存里(片内RAM或是片外的DDR)

ROM程序要做的事情：
a. 初始化硬件
初始化时钟，提高CPU、外设速度
初始化内存：DDR需要初始化才能使用
初始化其他硬件，比如看门狗、SD卡等

b. 从外设把程序复制到内存
b.1 支持那么多的启动方式，SD卡、SPI FLASH、USB DISK，
怎么选择？
通过跳线，选择某个设备；
或
通过跳线，选择一个设备列表，按列表顺序逐个尝试
或
不让客户选择，按固定顺序逐个尝试

b.2 内存那么大，把程序从SD卡等设备，复制到内存哪个位置？复制多长？
烧写在SD卡等设备上的程序，含有一个头部信息，里面指定了内存地址和长度；
或
不给客户选择，程序被复制到内存固定的位置，长度也固定。

b.3 程序在SD卡上怎么存？
原始二进制(raw bin),
或
作为一个文件保存在分区里

c. 执行新程序