如今，微控制器的功能日漸強大，已經從早期的單片機轉向基于SoC結構的MCU體系。在這個轉變過程中，內核成為了決定一顆MCU的性能和應用場景的關鍵。比如我們常說MCU的位數就是根據內核來確定的，不同的內核代表了不同的MCU性能。例如，早期的8051就是8位單片機的典型內核，現在主流的Arm Cortex M系列則代表了32位MCU最常見的內核；Cortex M0+則是低功耗低成本MCU的標簽；Cortex M7內核的MCU作為高性能微控制器的代表甚至可以進行部分視頻處理應用，而PowerPC架構的內核則常見于汽車動力總成部分的MCU應用場景。

如何配置強大的CPU內核？

內核是一顆MCU中的主處理單元（也可以說是MCU的CPU），內核基本決定了一顆MCU半數以上的技術指標，因此對CPU內核進行配置就成為應用MCU的最關鍵步驟。今天我們就以東芝的TLCS-870/C1內核作為示例，帶大家共同學習一下CPU整體配置的基本知識。

首先我們來認識一下微控制器的各個基本功能，如下圖所示，CPU具有用于存放微控制器中各種數據和程序的存儲電路以及用于執(zhí)行計算的運算電路。其中各個部分功能如下。

PSW（程序狀態(tài)字）：用于保存操作結果和指令執(zhí)行結果狀態(tài)的寄存器，由各種標志組成。

通用寄存器：用于儲存數據的存儲電路，根據存儲電路的位置，通用寄存器分別稱為W、A、B、C、D、E、H、L等。儲存計算結果的地方稱為累加器。在TLCS-870/C1中，W、A、B、C、D、E、H、L、IX和IY這十個寄存器具有累加器功能。

程序計數器（PC）：用于儲存存儲器地址以讀取指令的存儲電路。

ALU（算術邏輯單元）：用于執(zhí)行計算的運算電路。

指令寄存器：用于暫時存儲讀取指令的存儲電路。

指令解碼器：對存儲在指令寄存器中的指令進行解密，并將其發(fā)送到控制單元。

中斷控制電路：用來控制中斷功能。

在這些功能中，程序計數器（PC）是管理下一步要執(zhí)行指令存儲地址的寄存器。每次執(zhí)行一條指令時，程序計數器指定的地址將進行＋n處理（1字指令為＋1，2字指令為＋2）。當在中斷指令等情況下，PC將存儲跳轉目標地址。CPU從PC讀取下一條要執(zhí)行指令所在的地址，并依次執(zhí)行。例如，如果PC中存儲了0x8020（地址），則意味著CPU正在執(zhí)行地址為0x8019的指令。如果從PC讀取了地址0x8020，則CPU下一步要執(zhí)行指令的地址0x8021將儲存在PC中。這個過程可以參考圖2所示的流程示意。

而通用寄存器可用于各種用途，例如累加器和數據處理。TLCS-870/C1有八個8位寄存器：W、A、B、C、D、E、H和L。這八個寄存器也可以作為16位寄存器成對使用：WA、BC、DE和HL。這些組合只適用于相鄰的寄存器，例如，B和E、H和E等不能組合。此外，TLCS-870/C1還有兩個16位通用寄存器IX和IY。這些寄存器主要作為訪問存儲器時的索引寄存器。

在CPU執(zhí)行指令后，會有一個標志指示存儲器的內容以及計算結果的狀態(tài)。PSW（程序狀態(tài)字）的作用就是收集這些標志。下圖是A寄存器（00111110）和B寄存器（11100000）相加的例子。計算結果（100011110）本應儲存在A寄存器中。但是，由于A寄存器只能儲存8位，所以將進位標設置為“1”，并將進位標志保留為發(fā)生進位的信息。因此，在A寄存器中，存儲不包括最高有效位1的（00011110）作為計算結果。例如，如果計算結果是（100000000），則在進位標志中設置1，（00000000）儲存在A寄存器中，所以在零標志中設置1。

今天我們跟大家一起了解了微控制器的CPU部分功能單元和基本指令執(zhí)行的知識，下一節(jié)我們將帶大家一起認識另一個CPU配置的關鍵環(huán)節(jié)“中斷處理”。請大家持續(xù)關注哦～

來源：東芝半導體
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審核編輯 黃宇