8051 与 AndesCore TM 的软件差异与移植与 AndesCore TM 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

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1 晶心科技技术文章 8051 与 AndesCore TM 的软件差异与移植. 晶心科技新闻联络人市场及技术服务部 Joyce Chen 电话 : ext joycechen@andestech.com Web:

2 8051 与 AndesCore TM 的软件差异与移植与 AndesCore TM 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 与 AndesCore TM 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 8051 指令例子 : MOV A, Rn ; 寄存器传送到累加器 INC A ; 累加器加 1 AndesCore 指令例子 : 位指令 MOVI Rt, imm20s ; 将一个立即数 imm20s 赋于寄存器 Rt ADDI Rt, Ra, imm15s ; 将一个立即数 imm15s 与 Ra 相加结果赋于 Rt 位指令 : 在操作数范围较小时, 可以被编译成 16 位指令 MOVI55 Rt5, imm5s ; ADDI333 Rt3, Ra3, imm3u ; Andes Technology Corp. Page 2 of 18

3 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 AndesCore 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 Andes Technology Corp. Page 3 of 18

4 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 Keil, 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 Andes Technology Corp. Page 4 of 18

5 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 : Type AndesCore 8051 Notes char 8-bit signed 8-bit signed short 16-bit 16-bit int 32-bit 16-bit int is smaller on 8051 long 32-bit 32-bit long long 64-bit N/A float 32-bit 32-bit double 64-bit 32-bit 8051 has no 64-bit floating point type long double 64-bit N/A 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 : F8H FFH F0H B * F7H E8H EFH E0h ACC * E7H D8H DFH Andes Technology Corp. Page 5 of 18

6 D0H PSW * D7H C8H T2CON * RCAP2L RCAP2H TL2 TH2 CFH C0h C7H B8H IP * BFH B0h P3 * B7H A8h IE * AFH A0H P2 * A7H 98H SCON * SBUF 9FH 90H P1 * 97H 88h TCON * TMOD TL0 TL1 TH0 TH1 8FH 80H P0 * SP DPL DPH PCON 87H 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通用指针 : 通用指针的声明和标准 C 语言中一样如 : char *s; /* string ptr */ int *numptr; /* int ptr */ long *state; /* long ptr */ 存储器指针 : char data *str; /* ptr to string in data */ int xdata *numtab; /* ptr to int(s) in xdata */ Andes Technology Corp. Page 6 of 18

7 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 Andes Technology Corp. Page 7 of 18

8 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中断源中断向量上电复位 0000H 外部中断 H 定时器 0 溢出 000BH 外部中断 H 定时器 1 溢出 001BH 串行口中断 0023H 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, Entry number Entry point 0 Reset/NMI 1 TLB fill 2 PTE not present 3 TLB misc 4 TLB VLPT miss 5 Machine Error 6 Debug related 7 General exception 8 Syscall 9 HW0 10 HW1 Andes Technology Corp. Page 8 of 18

9 Entry number Entry point 11 HW2 12 HW3 40 HW31 当 External VIC(EVIC) mode 时由外部中断控制器決定, 最多有 64 个 Entry number Entry point 0 Reset/NMI 1 TLB fill 2 PTE not present 3 TLB misc 4 TLB VLPT miss 5 Machine Error 6 Debug related 7 General exception 8 Syscall 9-72 VEP 0-63 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 Andes Technology Corp. Page 9 of 18

10 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 Andes Technology Corp. Page 10 of 18

11 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 TM 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() Andes Technology Corp. Page 11 of 18

12 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 ORG 0000H /* 起始地址 */ LJMP MAIN /* 跳转到主程序 */ ORG 0013H /* 外部中断 1 的地址 */ LJMP INT /* 跳转到 INT 执行 */ ORG 0100H /* 主程序的起始地址 */ MAIN: MOV A,#0FEH /* 将 FEH 送给 A*/ SETB IT1 /* 外部中断 1 跳变沿触发方式 */ SETB EX1 /* 外部中断 1 开中断 */ SETB EA /*CPU 开中断 */ MOV P0,A /* 将 A 送给 P0*/ LOP: LJMP LOP /* 循环等待 */ INT: RL A /*A 循环左移 */ MOV P0,A /* 将 A 的数值送给 P0*/ RETI /* 中断返回 */ END /* 程序结束 */ [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 Andes Technology Corp. Page 12 of 18

13 _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! 中断向量表所在的 section, 该 section 在链接后会被存放在第一条指令执行处, 通常是 0 位置.section.vector, "ax"!====================================================! Vector table!====================================================.align 3 exception_vector:! 以下是中断向量表 j _start j OS_Trap_TLB_Fill! (0) Trap Reset! (1) Trap TLB fill j OS_Trap_PTE_Not_Present j OS_Trap_TLB_Misc j OS_Trap_TLB_VLPT_Miss j OS_Trap_Machine_Error j OS_Trap_Debug_Related! (2) Trap PTE not present! (3) Trap TLB misc! (4) Trap TLB VLPT miss! (5) Trap Machine error! (6) Trap Debug related j OS_Trap_General_Exception! (7) Trap General exception j OS_Trap_Syscall j OS_Trap_Interrupt_HW0 j OS_Trap_Interrupt_HW1! (8) Syscall! (9) Interrupt HW0! (10) Interrupt HW ! _start 函数, 是中断向量 0 对应的中断处理函数 Andes Technology Corp. Page 13 of 18

14 .align 2 _start:! ******** Begin of do-not-modify ************! Please don t modify this code! Initialize the registers used by the compiler #ifndef CONFIG_NO_NDS32_EXT_EX9! make sure the instruction before setting ITB! will not be optimized with ex9.no_ex9_begin! disable ex9 generation #endif! Support Relax, Set $gp to _SDA_BASE_ la $gp, _SDA_BASE_! init GP for small data access #ifndef CONFIG_NO_NDS32_EXT_EX9! Initialize the table base of EX9 instruction la mtusr $r0, _ITB_BASE_! init ITB $r0, $ITB #endif.no_ex9_end!*********** End of do-not-modify************ la $fp, _FP_BASE_ la $sp, _stack! init $fp! init $sp 初始化堆栈寄存器 #ifdef CFG_LLINIT bal _nds32_init_mem! 初始化 DRAM #endif bal init bal main! 初始化 CPU,SoC,C 运行环境等! 最后跳转到 main 函数 1: b 1b 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 Andes Technology Corp. Page 14 of 18

15 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 USER_SECTIONS.vector SDRAM 0x x ; address base 0x , max_size=8m ; 指定 LMA 为从 0 开始 { EXEC 0x ; 指定 VMA 为 0 { * (.vector) ; 放在 0 开始的地方并作为第一个 section * (+RO,+RW,+ZI) STACK = 0x } } 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 /* This file is generated by nds_ldsag (version ). */ ENTRY(_start) SECTIONS { PROVIDE ( executable_start = 0x ); NDS_SAG_LMA = 0x ; SDRAM_BEGIN = NDS_SAG_LMA;. = 0x ; ; 起始地址为 0.vector : { *(.vector) } ;.vector 在 0 开始的位置.nds32_init : { KEEP(*(.nds32_init)) }.interp : { *(.interp) }.hash : { *(.hash) } Andes Technology Corp. Page 15 of 18

16 .dynsym: { *(.dynsym) }.dynstr : { *(.dynstr) }.gnu.version : { *(.gnu.version) }... 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 pdf 5.2. 中断处理函数的 C 实现 [8051] 怎样用 C 写 8051 的中断处理函数范例 /* com interrupt handler */ void com_int(void) interrupt 4 // 有指定 interrupt 号 { /* com interrupt handler here */ } [AndesCore ] 怎样用 C 写 AndesCore 的中断处理函数范例 void syscall_handler() // 和普通函数的写法相同 { puts("this is syscall handler\n"); } Andes Technology Corp. Page 16 of 18

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

17 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 Andes Technology Corp. Page 17 of 18

18 7. 总结 AndesCore 使用标准的 C 语法开发, 方便快捷, 同时作为 32 位 RISC( 精简指令集 ) 架构的 CPU,AndesCore 有多款适用于 MCU 应用的 CPU, 相对于 8051 具有功耗, 性能方面优势想了解更多 AndesCore 细节, 可以登陆新闻联络人市场及技术服务部 Joyce Chen 电话 : ext joycechen@andestech.com Web: Andes Technology Corp. Page 18 of 18

DPJJX1.DOC

DPJJX1.DOC 8051 111 2K 1 2 3 ' ' 1 CPU RAM ROM / A/D D/A PC CPU 40 68 10 20 8 51 PIII 8051 2 MCS51 8051 8031 89C51 8051 8031 89C51? MCS51 INTEL INTEL 8031 8051 8751 8032 8052 8752 8051 8051 8051 MCS51 8031 8031

8051 与 AndesCore TM 的软件差异与移植 与 AndesCore TM 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

8051 与 AndesCore TM 的软件差异与移植与 AndesCore TM 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