单片机架构和指令集大科普，不容错过！

在电子技术飞速发展的今天，单片机作为一种关键的嵌入式系统组件，广泛应用于各个领域。尽管单片机外观小巧，看似简单，但其内部结构和工作原理却十分复杂。今天，我们就来深入科普一下单片机架构和指令集的相关知识。

1、指令集

指令集是 CPU 中用于计算和控制计算机系统的一套指令集合，它是 CPU 性能体现的重要标志，指令集的先进性直接关系到 CPU 的性能发挥。同时，指令集也是一种标准规范，对芯片设计工程师和编译器开发工程师起到规范作用。

由于芯片与 IDE 都遵循相同的指令集标准，所以使用高级语言编写的程序经指定编译器编译后，能够直接在对应的 CPU 上运行；反之，如果指令集不匹配，则程序无法运行。例如，使用 arm - linux - gnueabihf - gcc 编译得到的程序，不能在 X86 CPU 上运行。

2、指令集的分类

从现阶段的主流体系结构来看，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分。

(1).复杂指令集

复杂指令集侧重于硬件执行指令的功能性，其对应的硬件结构较为复杂。复杂指令集的特点包括指令长度不固定，执行需要多个周期；拥有很多用于特定目的的专用寄存器；处理器能够直接处理寄存器中的数据。复杂指令集主要应用于电脑的处理器，我们日常使用的个人电脑处理器大多采用 X86 架构。

(2).精简指令集

精简指令集侧重于结构简单、处理速度更加快速。其特点是一个周期执行一条指令，指令长度固定，通过简单指令的组合实现复杂的操作；寄存器多为通用寄存器。精简指令集主要用于嵌入式处理器，常见的有 ARM 指令集、MIPS 指令集及 RISC - V 指令集。

① ARM

其中ARM指令集是目前用得最多的。ARM家族占比所有32位嵌入式处理器的75%，成为占全世界最多数的32位架构。

ARM处理器广泛使用在嵌入式系统设计，低耗电节能，非常适用移动通讯领域。消费性电子产品，例如可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机），电脑外设（硬盘、桌上型路由器），甚至导弹的弹载计算机等军用设施。

随着处理器的不断发展，应用需求不断提高，ARM指令集也发展了很多个版本：

●ARM V1：最初版本，采用的地址空间是26位的，寻址空间是64MB，这个版本没有商业化。

●ARM V2：增加了乘法指令及支持协处理器指令。

●ARM V3：实现了32位的地址空间。

●ARM V4：增加了半字指令的读取和写入操作，增加了处理器系统模式，增加Thumb指令集。

●ARM V5：增加了DSP指令、JAVA指令。

●ARM V6：增加60多条SIMD指令。

●ARM V7：采用了NEON技术，将DSP和媒体处理能力提高了近4倍。并支持改良的浮点运算。

●ARM V8：增加64位指令集、寄存器数量增加到31个。

② MIPS

在设计理念上MIPS指令集强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。其指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。

在嵌入式方面，MIPS K系列微处理器是仅次于ARM的用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。

③ RISC-V

RISC-V(读作“RISC-FIVE”)是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)。

RISC-V指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实情况来实做，但并没有对特定的微架构做过度的设计。主流的架构为x86与ARM架构为了能够保持架构的向后兼容性，其不得不保留许多过时的定义，导致其指令数目多。而RISC-V架构则能完全抛弃包袱，从轻上路。RISC-V基础指令集则只有40多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。

RISC-V特点：

●完全开源：开源采用宽松的BSD协议，企业完全自由免费使用，同时也容许企业添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展。

●架构简单：RISC-V基础指令集则只有40多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。

●易于移植：RISC-V提供了详细的特权级指令规范和用户级指令规范的详细信息，使开发者能非常方便的移植linux和unix系统到RISC-V平台。

●模块化设计：RISC-V其不同的部分以模块化的方式组织在一起，用户能够灵活选择不同的模块组合，来实现自己定制化设备的需要。

●完整的工具链：芯片设计公司不再担心工具链问题，只需专注于芯片设计，RISC-V社区已经提供了完整的工具链。

阿里巴巴全资的半导体平头哥半导体有限公司也有设计出基于RISC-V的芯片，如：

3、ARM 处理器微架构

指令集是一个很深层次的概念，在这之上我们还需要了解一个与此相关的概念：微架构（Microarchitecture），上面RISC-V的介绍中也有提到这个概念。

微架构的概念其实我们并不陌生，我们来看一个框图：

这是STM32F103系列芯片的一个框图。微架构其就是我们常说的xxx内核（注：内核有两种概念，一种是硬件层面的概念，另一种是软件层面的概念。这里指的是硬件层面的概念），比如STM32F103的内核是ARM Cortex-M3内核就是一种微架构。

一套指令集只能设计出一种微架构？

显然不是的。针对于不同的应用场景如高性能、低功耗等不同的场景，可以基于同一套指令集设计出不同的微架构。

比如我们嵌入式中接触得比较多的应该是基于ARMV7指令集的Cortex系列内核：

ARM 公司授权方式

ARM 公司自身并不生产和销售芯片，而是通过 IP 授权来盈利，主要有以下三种授权方式。

4、架构层级授权

架构层级的授权是芯片厂商在付费获得指令集授权之后，可以基于该指令集设计自己的内核。架构层级方面，只有几个手机方面的芯片厂商可以玩得起。目前只有几个头部芯片能获得ARM架构层级的授权：

◆苹果：Swift架构。

◆高通：Krait微架构、Scorpion微架构。

◆三星：猫鼬微架构。

◆华为：无。采用公版ARM微架构。

其中，高通、三星曾采用ARM公版+自研架构的组合，但现在基本放弃自研架构，采用公版ARM微架构。苹果是目前是唯一一家能跟ARM这种商业模式做到五五开。

之前有一个疑问，苹果实力这么强了，为何不自研指令集完全摆脱对于ARM的依赖？

网上查了一下，查到一些回答：

1、完全自研，你没办法保证上下游的开发者也有设备可用，没可用设备的话，谁来给开发软件？

2、完全自研，所有核心技术都得很多更专业的人来做，人力成本可能会比授权费还高。

3、ARM和苹果的渊源很深，当年苹果是ARM的创始股东之一，后来苹果陆续卖掉了ARM的股票，再后来苹果基于ARM的架构开始大搞自研芯片。其实苹果现在就是在自研，可以理解为ARM的花式魔改。

华为目前在手机CPU方面现在并无自研微架构。华为麒麟芯片用的还是公版的ARM微架构，但现在已经被卡脖子了（停止内核层级授权），这样的形式不太乐观。虽然华为拥有ARMV8指令集永久授权，但之前并没有基于ARMV8自研出自己的微架构，可能已经在研发中了。

虽然在手机CPU方面还没有自研微架构，但已有自研云端AI芯片“昇腾（Ascend ）”系列，基于自研的达芬奇架构。不知道自研NPU微架构与自研CPU架构的难度差距有多大，但还是希望华为能早点自研出手机CPU微架构。就算能成功自研出了自己的CPU微架构，华为的路也还是不好走啊。假设之后研发成功了，也还需要长期的验证才敢投入使用，毕竟华为手机市场那么大，搭载自研微架构处理器地手机一旦翻车，损失巨大。

5、内核层级授权

内核层级的授权是ARM公司设计出不同的微架构，其他芯片公司可以购买这些微架构，再添加一些自己的一些外设模块，就可以设计出一个芯片。比如：

ST公司购买了了ARM公司的Cortex-M3内核，然后加上图上的一些外设模块如TIM、IIC、SPI等这些模块之后就可以设计出STM32F103系列芯片。ARM的内核层级授权客户很多，如：ST、TI、三星、海思、瑞芯微、全志等。

6、使用层级授权

使用层级的授权意味着用户可以使用封装好的 ARM 芯片，但不能进行任何修改。作为最低的授权等级，拥有使用授权的用户只能购买已经封装好的 ARM 处理器核心，如果想要实现更多功能和特性，则只能通过增加封装之外的 DSP 核心或对芯片进行再封装的方式来实现。

通过以上对单片机架构和指令集的详细介绍，相信大家对单片机的内部结构和工作原理有了更深入的了解。在未来的电子技术发展中，单片机将继续发挥重要作用，而对其架构和指令集的研究也将不断深入。