8051与AndesCore的软件差异与移植
发布时间：2015-10-27 14:06
发布者：designapp
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1. 8051与AndesCoreTM 本文将介绍使用8051与AndesCore?差异事项，并对两种CPU系统相关事项做说明，后面再介绍从 8051移植到AndesCore ?上注意事项，举中断向量表及异常处理函数的例子说明差异及移植，最后简要介绍AndesCore?在MCU应用的三款CPU: N705,N801 和N968A。 2. 8051与AndesCore常见差异事项 2.1. 位宽的差异 位宽是指处理器一次执行指令的数据带宽。8051 是8 位宽的处理器， 而AndesCore?是32位宽的处理器，支持32位与 16位的混合指令集，位数越宽，在数据的处理方面就更有效率。  2.2. 指令差异 8051 汇编语言共有111 条指令集，AndeStar?的V3m指令集有 157 条，AndeStar?的V3指令集有 200 多条，两种 CPU的指令集大概可以分为以下几类：算术运算，如加，减，乘，除等操作;数据传送，如数据在寄存器，内存间的传送，赋值等;逻辑跳转，如函数呼叫，无条件跳转，条件跳转，中断返回等;在AndesCore ?中还有特权模式的指令部分，关于两种指令集的具体差别，可以分别参考对应的指令集介绍文档。 2.3. 地址空间映射差异 AndesCore?使用memory map 方式映射地址空间，主要有两种，内存的空间映射，如其中的RAM或ROM地址，它们用于存放程序运行时的代码和数据，在AndesCore?上代码在link 后，程序运行的代码和数据地址会最终确定，Andes 提供了一个简便的 link script 工具sag ，可以很方便的对系统中可用的内存空间进行分配设定。 另一个是外设所对应的地址空间，可以通过查看SoC 对应的手册了解对应的外设映射的空间范围及相应的使用方法。 2.4. 堆栈设置差异 8051的堆栈的起始位置是固定的(部分衍生 8051可以做程序设定)，它通常固定在片内的RAM中，8051 内存空间有限，非常小，程序中所使用的变量存放于特定的数据空间中，并不会放在堆栈空间，所以在 8051中所需要的堆栈空间很小。而对于 And esCore?来说，堆栈可以设置在任意合适的 RAM上。程序运行时所有的局部变量都存放在堆栈中，只需要确保在设计系统的时候有足够的堆栈空间。在 AndesCore?中有$ sp寄存器表示栈顶位置，这需要在系统上电或者是系统reset 后初始化时进行设置。 2.5. 代码和数据的存储差异 在8051 系列单片机中，数据存储区可以分为内部数据存储区以及外部数据存储区。 内部数据存储区有几个区别：data ，bdata，idata。 data : 片内RAM直接寻址区。bdata: 片内RAM位寻址区。idata: 片内 RAM间接寻址区。 外部数据存储区又有：xdata，pdata。 xdata 和pdata：是外部存储区，有些芯片会带有 XRAM 。 在有些开发工具中，如K eil，可以通过设置存储模式来处理，存储模式决定了默认的存储器类型, 此存储器类型将应用于函数参数, 局部变量和定义时未包含存储器类型的变量。 SMALL 所有的变量存放在片内 RAM(data 区间) COMPACT 所有的变量存放在外部存储区(pdata 区间) LARGE 所有的变量存放在外部存储区(xdata 区间) AndesCore?以内存映射的方式，内存空间不会有特别的限制，就是说不会像8051那样需放在某处区间，这样的设计更方便灵活，允许程序代码和数据在可用的空间里自由放置。 有时候需要将某段代码或者数据存放在指定的位置上，在8051 中，可以在代码中使用"at" 关键字，但该关键字是 8051 中所特有的，会造成可移植性和维护的问题，在 AndesCore?上，提供了一种简便的 link script 工具，如上所提到的sag 工具，在 C 代码中使用GNU标准的语法格式，在 link 之后相应的代码和数据将存放于指定的位置，这样可以避免在代码中使用"at" 该平台相关的属性设置。 2.6. 数据类型及对齐差异 8051和AndesCore ?是不同类型的CPU,它们所使用的数据类型所对应的宽度也不同，如下表所示：  在链接完成后数据通常都会按照本身的属性对齐，比如int 类型则会4 bytes对齐，short则会2 bytes对齐。这样的存放方式可以提高 CPU对数据读取时的效率。虽然AndesCore?是32bit的CPU， 在只需要8bit 和16bit的数据时能节省存储空间，但在处理16bit 和32bit的数据上则有更高效。 在8051中有sbit 关键字用于设置对特殊功能寄存器 SFR的直接访问，8051的特殊功能寄存器分布在内存地址0x80到0xFF处，如下表：   sbit 是8051扩展的变量类型，非标准 C 语法，移植的时候需要将其修改成标准C 操作语法，另外在AndesCore?中，所有的寄存器都是单独存在的，不会占用内存的空间。 2.7. 指针使用差异 8051中两种类型的指针，分别是存储器指针和通用指针，通用指针由3 个字节组成，第一个字节用来指明对应的内存类型，所以这种类型的指针类型占用空间更大也更慢，存储器指针只能用来访问指定类型的存储器空间。  而在AndesCore?上指针不会有这方面的限制，它是一个 32bit的数据，普通的寄存器就可以存放指针内容，可以访问到系统4G 范围内的空间(N705,N801地址空间只有 16M,N968A以上的 CPU地址空间可达4G)。 2.8. 函数声明差异 在8051中由于堆栈空间有限，如果有函数是可重入的，需要在函数声明的时候用关键字reentrant 做说明。8051 的中断处理函数则需要使用关键字interrupt 声明，中断处理函数有时也需要用 using 关键字指明哪一寄存器组会被使用到。 在AndesCore?中，都采用标准的 C 语法，在声明函数时并不需要这些附加的声明。AndesCore?遵行底层的ABI 机制，编译器处理底层的寄存器及堆栈相关机制。对于上层用户来说是透明的。 3. 系统相关事项说明 3.1. 操作模式 8051只有一种mode，AndesCore?有两种mode，分别是 superuser mode和user mode ，当系统上电启动时是在 superuser mode，或者当系统进入到中断或者异常时也进入到superuser mode，当从中断或者是异常返回后，会返回到user mode 。由于8051没有mode切换的问题，所以在移植的时候只需要理解AndesCore?在mode方面的机制就可以。 3.2. 系统的启动 8051和AndesCore ?的系统启动过程类似，通常在0 地址存放中断向量表，第一个向量表是reset，当系统上电或者是reset 后，经过该向量会跳转到一个启动函数中，该启动函数会完成系统启动所必要的步骤，比如设置CPU，初始化SoC ，清理内存，初始化 C 运行环境等, 最后完成所有的准备后跳转到 main函数。 3.3. 中断处理 8051有5 个中断源，通常中断向量表只是一个跳转，会跳到真正的中断处理函数，8051只能设置成两级的中断优先级。  AndesCore?包含了9 个内部异常，中断向量号对应于从 0 到8, 9 之后对应于外部中断，在Internal VIC (IVIC )mode时可支持32个外部中断，   当External VIC(EVIC) mode时由外部中断控制器決定, 最多有64个。  中断的处理由以下几部分组成： 1. 实现中断处理函数 可以用汇编实现8051 的中断处理函数，也可以用C 来实现，在8051中C 实现的中断处理函数会有一个"interrupt" 的关键字，如果有寄存器 bank被使用到，还要加上"using"关键字。如果要将中断处理函数固定在特定位置还需要使用"at" 关键字，而 AndesCore?使用的是标准的 C 语法，不需要为中断处理函数做这些设置。 2. 中断向量表的产生 8051 中断向量表摆放在 0 开始的位置，在AndesCore?中硬件可以设定启动地址，通常设为 0 地址，也可以是非 0 地址，中断向量表存放在对应系统启动地址处。在程序编写过程中可以通过标准的gnu 语法再加上link script 的sag 工具，以使产生的中断向量表在链接的时候存放于特定的位置。 3. 中断配置 在8051中，需要做以下设置 1. IE 寄存器中Individual Interrupt Enable 位设1 2. IE 寄存器中EA(Enable All)位设1 3. 当是外部中断时，配置相关的pin 为输入，并设置对应的触发属性为edge或level 触发。 而在AndesCore?中需要做以下设置： 1 .设置CPU IVIC 或者 EVIC mode 2 .设置INT_MASK位 3 .设置中断的优先级 4. 关于异常处理差异 在8051中没有异常处理向量，所以在8051中并没有这部分的处理函数，在AndesCore?中有一些系统的exception 中断向量，比如Machine Error,GeneralException, 建议在AndesCore ?上实现对应的处理函数, 当发生这类异常时做一些基本的处理。 3.4. 时序和延迟 在8051中可以采用NOP指令来延迟，在 AndesCore?中也有NOP指令来达到类似目的。 3.5. 电源管理 8051 单片机中有两种省电方式，分别是空闲方式和掉电模式, 单片机处于空闲工作方式时，CPU处于睡眠状态，它的片内其它部件还是会继续工作，片内RAM的内容和所有专用寄存器的内容在空闲方式期间都被保存下来了, 可以通过中断或者硬件复位来终止空闲工作方式。单片机处于掉电工作方式时，片内的振荡器停止了工作，因此它的一切都被迫停止了。但片内 RAM的内容和专用寄存器的内容一直保持到掉电方式结束为止。掉电方式的唤醒方式只有一种，就是硬件复位。 在AndesCore?上，可以通过软件standby 指令使CPU进入到低功耗模式，通常标准c 代码并不能直接控制硬件，Andes 的compiler 提供了intrinsic 函数来做到这点。分别是：__nds32_standby_no_wake_grant(), __nds32_standby_wake_grant(),__nds32_standby_wait_done().指定系统进入低功耗模式时被唤醒的方式，分别是外部中断中断唤醒，电源管理模块唤醒，和中断配合电源管理模块唤醒，可以根据系统需要分别设计。 4. 从8051移植到AndesCore上注意事项 一个8051工程，当移植到AndesCore?上时有以下注意事项： 1. 内存映射，代码和数据摆放位置相关的设置。 2. 可以不必考虑变量数目，或者是函数的overlay, 因为在32bit 的AndesCore?上开发时内存空间通常不会像 8051那样小。 3. 如果空间允许，在 AndesCore?上尽量使用32bit的数据类型，这样效率会更高。 4. 在8051上用于表示内存区域属性的标志如(idata, xdata, bdata, pdata 等)在AndesCore?上可以移除。 5. 在8051上不需要设置内存区块模式，比如：small, compact, large 等。 6. 在8051 上用于表示对像远近的属性"near" 和"far",都可以移除，AndesCore?上的指针的访问可以达到所有地址空间。 7. 在中断处理函数中不需要像8051那样指定哪块寄存器块会被用到的关键字"using"。 8. 在8051上中断处理函数就和普通的函数一样，中不需要设置其它的关键字，如interrupt 。 9. 如果有8051汇编部分移植到 AndesCore?，需要重新实现，尽可能的用c 来实现，便于维护和调试。 10. 在8051中使用到的#progma 相关部分需要删除。 11. 在AndesCore?中函数不需要声明为"reentrant" 属性。 12. 如果使用了数学运算，在8051中默认是使用32bit单精度浮点，如果要 保持和8051 中相同的精度，需要将函数名做一些调整，如将 sin() 改成sinf()。 5. 中断向量及异常处理函数例子 以中断向量及中断处理函数的例子说明差异及移植。 5.1. 汇编实现中段向量表 [8051] 该例子显示怎样用汇编设置8051的中断向量和中断处理函数，在8051汇编中ORG指定了后面汇编代码的位置，后面的中断向量通常是一个跳转语句。如下例第一个向量跳到主函数MAIN函数中，另外一个外部中断1, 也是一个跳转指令：LJMP INT 到后面的用汇编实现的中断处理函数 INT 中。  [ AndesCore?] 该例子显示怎样用汇编设置AndesCore?的中断向量表和中断处理函数, 该例子中exception_vector 是中断向量表的label, 后面分别表示第0,1,2,3…个中断向量，它们只是简单的跳转指令，跳到具体的执行实体中去，如vector 0 跳到_start, 做系统相关的初始化操作，_start 是系统启动代码，用汇编语言来实现。vector 9 后面对应的是外部中断，中断处理函数如OS_Trap_Interrupt_HW0，OS_Trap_Interrupt_HW1… 它通常用C 来实现，可以参考后面5.2 章节的AndesCore?中断处理函数范例。   在上面用汇编设置AndesCore?的中断向量表的例子中，我们需要将中断向量表最终设定在0 地址处，可以通过 section语法配合sag 工具实现，例子中我们设定该段的 section 名为.vector, 所以在sag 中，我们自定义一个 USER_SECTION 为.vector，并 将.vector放在0 开始的地方并作为第一个 section。  通过上面的sag 语法，并使用andes 提供的sag 转ld 的工具，可以产生类似以下的ld ，在工程进行链接的时候选择该 ld 时就能确保 .vector链接的地址位于0 处。   关于详细的SAG使用，可以参考我们的另一篇文章：《Andes 的分散聚合(SAG)机制》 5.2. 中断处理函数的C 实现  6. 适用于MCU的Andes CPUs Andes 有三款非常适用于 MCU应用的CPU,分别是：N705,N801,N968A,如下图所列：  N705和N801分别采用了两级和三级流水线，都具有很低的功耗和很好的性能，当应用需要的频率较低时，使用两级流水线的N705能发挥出更好的性能和更低功耗的特性，相比于8051，两级流水线的 N705 在频率方面高出许多，比如在TSMC 40nm LP 工艺下能跑到超过240MHz ，所以完全能胜任8051的应用需求。N968A使用了五级的流水线，同样有低功耗的特性和很好的性能，同时该款CPU具有很强的可配置性，如支持多种总线接口，还支持了专门为audio的加速指令，N968A是一个多面手，性能好，功耗低，又具备强大的可配置特性，适合于多种应用。 |
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