集成电路发展史

指令集的发展

芯片的本质是二极管, 为了在芯片上跑程序, 出现了指令集(ISA)这个东西.
指令集分两大流派: 复杂指令集（CISC）精简指令集（RISC)

指令集ISA	优点	缺点
复杂指令集CISC(Complex Instruction Set Computing)	一条指令中完成更多的工作, 最大限度榨干硬件	日趋庞杂的指令芯片不但不易实现，而且还可能降低系统性能
精简指令集RISC(Reduced Instruction Set Computer)	芯片容易实现	多条指令才能完成一个任务, 造成硬件的浪费

比较主流的指令集

CISC 发展出了
- X86
- 8051
RISC百花齐放,
- ARM(Acorn RISC Machine)
- MIPS(Microprocessor without interlocked pipelined stages 无内部互锁流水级的微处理器)
- RISC-V(开源BSD)
- AVR
- PIC
- PowerPC
还有一些专门针对某些运算出来的指令集, 这些并不能用上面两个标准区分如:
- DSP
- FPGA
- EPSXX

为什么有这么多ISA?

X86和ARM指令集的实现方式都是闭源的
x86架构由于授权问题只有几家可以生产，包括现在的Intel、AMD
但是ARM有多种授权方式
- ARM公司本身并不靠自有的设计来制造或出售CPU，而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。
- 如苹果M1,M2.海思部分麒麟处理器就是采用这种方式生产出来的。
- x86是占了先手的, ARM1983年才开始设计,但是授权方式的原因ARM也抢了很多市场.
- 从2020年英伟达强势宣布将以400亿美元的价格收购英国ARM公司的事件,可以看出, ARM这种不生成CPU的方式并没有X86这种和intel牢牢绑定的方式赚钱.
- 一旦英伟达收购ARM,很难说新的授权方式,因此包括苹果,华为等都开始威胁要拥抱RISC-V
RISC-V 是开源的(BSD)

如今,复杂指令集和精简指令集界限日渐模糊, 都在吸取别人的优点.在性能和易实现之间做权衡

X86和ARM的优劣势

X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备（如：硬盘、内存等）进行连接，而且x86结构的电脑出现了近30年，其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜，所以x86结构的电脑能很容易进行性能扩展，如增加内存、硬盘等。

ARM结构的电脑是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接，所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行（一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量），所以采用ARM结构的系统，一般不考虑扩展。基本奉行“够用就好”的原则。这就是为什么现在苹果电脑不留出多个硬盘/内存接口的原因之一.

指令集之间是可以转换的

同时还可以软件兼容, M1跑intel芯片的程序, M1不能识别x86的指令苹果就开发了一个叫做Rosetta 2 的转译机制,把x86的复杂指令翻译成ARM的精简指令, 显然这中间必定有效率的问题.

指令集(ISA)与架构与芯片之间的关系

什么是架构

架构 architecture：是一个抽象的概念

比如我们常说的计算机处理器有486、Ivy Bridge、Pentium M……这就是架构的不同(但其都从属于x86架构)

ARMv1~ARMv8到STM32这些名称都属于ARM架构

麒麟支持哪些CPU?

麒麟操作系统能全面支持飞腾、龙芯、兆芯、申威、海光、鲲鹏六款主流国产CPU

CPU	架构
飞腾	ARM
龙芯	LoongArch/MIPS64
兆芯	X86
申威~	~~Alpha~~	用于超级计算机
海光	X86
鲲鹏	ARM

六个经典单片机种类介绍

51单片机

51单片机是对所有兼容Intel8051指令系统的单片机的统称, 如

Intel（英特尔）：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；
Atmel（艾特梅尔）：89C51、89C52、89C2051，89S51(RC)，89S52(RC)等；
Philips（飞利浦）、华邦、Dallas（达拉斯）、Siemens（西门子）等公司的许多产品；
STC（宏晶）：STC89C51、STC90C51、STC11系列、STC15系列、STC8, STC16系列等。
等

他们并不都是8位的: 如STC16是个32位的8051, 阉割为了16位

51单片机泛滥的原因:

intel看不上看不上这块肉了, 同时要和其他人竞争, 就开放了授权
入场早,前面学习的人都是用的这个

AVR/PIC/PowerPC/MIPS

PIC芯片示例:
- PIC16C5X，PIC12C6XX, PIC17CXX
AVR芯片示例: 比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司
- AlteraEPM7128S(PLCC84)、LatticeLC4128V(TQFP100)、XilinxXC95108(PLCC84)
MIPS是卖得最好的RISCCPU
- MIPS324Kc, MIPS645Kc
- 如Sony，Nintendo的游戏机，Cisco的路由器和SGI超级计算机
PowerPC
- 任天堂Gamecube

都是跟8051单片机的机构不同的位单片机，因为结构不同，所以他的汇编指令也不同，并且他们都是使用的RISC指令集，只有几十条指令，大部分的还都是单周期的指令，所以在相同的晶振频率下，比8051速度要快.但是他们不属于ARM架构, 算是和ARM同时期发展出来的RISC指令集.

ARM

手机芯片,任天堂游戏机, iPod:
GameBoyAdvance，NintendoDS，iPodARM9TDMIArmadillo，GP32，GP2X（第一颗内核）,TapwaveZodiac（Motorolai.MX1）；GP2X（第二颗内核）ARM9ENintendoDS，NokiaN-GageConexant802.11chips；STM32, STMicroSTR91xF，ARM11NokiaN93，Zune，NokiaN800，NOKIAE72CortexTexasInstrumentsOMAP3；Broadcomisauser；LuminaryMicro

他的内部资源（寄存器和外设功能）较8051、AVR和PIC都要多的多，基本上接近于计算机的CPU了

DSP/FPGA

DSP其实也是一种特殊的单片机，他从8bit到32bit的都有，他专门是用来计算数字信号的，在某些计算公式上，他甚至比现在的家用计算机的最快CPU还要快，比如说一个32bit的DSP能在一个指令周期内完成一个32bit数乘以32bit数再加上一个32bit数的计算。不好定义属于CISC还是RISC

单片机的各种编程语言

汇编语言

汇编不是编程语言，他只是机器指令和一些宏的组合。

为了用人类看得懂的语言来描述指令集, 就有了汇编语言, 不同架构的汇编语言是不一样的,ARM的汇编语言与Intel X86的就不同。

汇编语言编译器

AVR Studio

高级语言

虽然汇编语言读起来方便了，但也有缺陷。首先汇编语言操作起来还是挺麻烦的。其次汇编语言对应一条条指令集，所以当指令集改变时，就得修改相应汇编语言，导致其可移植性很差，不能跨平台使用，这时人们就想开发一种更方便操作，超越指令集的语言，于是有了C，C++等高级语言.

C/C++语言

大部分单片机支持C语言编译出来的二进制文件, 但是像FPGA就不支持C语言verilog和VHDL语言或者C语言无法编译出FPGA需要的二进制文件,因为C语言是先出现的.
至于C++, 要看编译器支不支持, 把C++编译为对应指令集2进制的东西, 理论上来说C++是可以用C的代码复写的,但是这个事情太庞大了, C++是一直更新的现在都C++20了.如Keil支持STL库
- 但是C++对运行效率有很大的影响, CPU速率大于100MHz不用考虑C++语言本身对程序运行效率的影响
- C++编译出来的东西比C大很多, 各种库使用都会增大体积, Flash一般要大于100K
- C++的编译器要针对在针对8位MCU, 32位MCU做不一样的处理(地址长度都不一样)
- C++的各种库不一定对单片机支持: 如STL标准库
- C++11、C++14和C++17还是有不小区别的。不能有换编译器的需求
- C++ 并没有比C写起来快很多
  But mind you, writing complex code in C can give you nightmares.
  But then debugging C++ code can give you nightmares as well.
- C++写的时候有时候要提前分配存储空间，而不是自动分配.否则会有小概率情况会出问题

C++/C编译器:

Keil

Keil公司2005年由ARM公司收购。现在已经迭代到 Keil μVision5,

支持ARM, 51单片机

IAR/STVD/ICCAVR

ST系列芯片用STVD

IAR,ICCAVR用于AVR

ArduinoIDE

Arduino2005 才开始出现, 有人嫌弃学一个单片机开发太麻烦了, 要先写代码, 然后读手册,烧录.

学几天都学不会.然后出了一套电路板,给学生学习,同时出了ArduinoIDE用于敲代码和烧录.

然后大家发现都很好用, 由于是开源的, 有人做了wokwi-Arduino在线模拟

有人做了对各种开发板的支持.发展到现在云平台也做.

其他编译器

基本一个芯片就有一个编译器, 毕竟不太复杂, 要么编译器支持你,要么你自己写一个编译器, 编译器在工作量和兼容更多的芯片之间做出选择, 厂家在学习成本/对客户吸引力和对编译器支持的力度做出选择, 开发者也会对学习成本和芯片价格做出选择.三方是互相影响的

其他语言

micropython

支持部分芯片的部分功能

tinygo

支持部分芯片的部分功能

nodemcu(lua)

好像是专门为了esp系列出的一套系统

C/C++编译过程发展史

c/c++ 与 gcc/g++

gcc是GCC中的GUN C Compiler（C 编译器）

g++是GCC中的GUN C++ Compiler（C++编译器）

gcc和g++的主要区别：

对于 .c和.cpp文件，gcc分别当做c和cpp文件编译（cpp的语法规则比c的更强一些）；
对于 .c和.cpp文件，g++则统一当做cpp文件编译。
对于windwos平台, 有2个方案: vs 和 MinGW
CodeBlocks, CodeLite,Kate,Eclipse CDT4 是一个IDE, 对标是vsIDE

makefile的出现

但是当你的程序包含很多个源文件时，用gcc命令逐个去编译时，你就很容易混乱而且工作量大
所以出现了make工具make工具可以看成是一个智能的批处理工具，它本身并没有编译和链接的功能，而是用类似于批处理的方式—通过调用makefile文件中用户指定的命令来进行编译和链接的。
于此同时于make一起出现的还有

cmake的出现

makefile在一些简单的工程完全可以人工手下，但是当工程非常大的时候，手写makefile也是非常麻烦的，如果换了个平台makefile又要重新修改。
这时候就出现了Cmake这个工具，cmake就可以更加简单的生成makefile文件给上面那个make用。
当然cmake还有其他功能，就是可以跨平台生成对应平台能用的makefile，你不用再自己去修改了。
可是cmake根据什么生成makefile呢？它又要根据一个叫CMakeLists.txt文件（学名：组态档）去生成makefile。

与make-cmake 同时出现的解决方案有

ninja, NMake

cmake 几乎支持所有的其他编译脚本:

Visual Studio 16 2019 = Generates Visual Studio 2019 project files. Use -A option to specify architecture. Visual Studio 15 2017 [arch] = Generates Visual Studio 2017 project files. Optional [arch] can be "Win64" or "ARM". Visual Studio 14 2015 [arch] = Generates Visual Studio 2015 project files. Optional [arch] can be "Win64" or "ARM". Visual Studio 12 2013 [arch] = Generates Visual Studio 2013 project files. Optional [arch] can be "Win64" or "ARM". Visual Studio 11 2012 [arch] = Generates Visual Studio 2012 project files. Optional [arch] can be "Win64" or "ARM". Visual Studio 10 2010 [arch] = Generates Visual Studio 2010 project files. Optional [arch] can be "Win64" or "IA64". Visual Studio 9 2008 [arch] = Generates Visual Studio 2008 project files. Optional [arch] can be "Win64" or "IA64". Borland Makefiles = Generates Borland makefiles. NMake Makefiles = Generates NMake makefiles. NMake Makefiles JOM = Generates JOM makefiles. MSYS Makefiles = Generates MSYS makefiles. MinGW Makefiles = Generates a make file for use with mingw32-make. Unix Makefiles = Generates standard UNIX makefiles. Green Hills MULTI = Generates Green Hills MULTI files (experimental, work-in-progress). Ninja = Generates build.ninja files. Watcom WMake = Generates Watcom WMake makefiles. CodeBlocks - MinGW Makefiles = Generates CodeBlocks project files. CodeBlocks - NMake Makefiles = Generates CodeBlocks project files. CodeBlocks - NMake Makefiles JOM = Generates CodeBlocks project files. CodeBlocks - Ninja = Generates CodeBlocks project files. CodeBlocks - Unix Makefiles = Generates CodeBlocks project files. CodeLite - MinGW Makefiles = Generates CodeLite project files. CodeLite - NMake Makefiles = Generates CodeLite project files. CodeLite - Ninja = Generates CodeLite project files. CodeLite - Unix Makefiles = Generates CodeLite project files. Sublime Text 2 - MinGW Makefiles = Generates Sublime Text 2 project files. Sublime Text 2 - NMake Makefiles = Generates Sublime Text 2 project files. Sublime Text 2 - Ninja = Generates Sublime Text 2 project files. Sublime Text 2 - Unix Makefiles = Generates Sublime Text 2 project files. Kate - MinGW Makefiles = Generates Kate project files. Kate - NMake Makefiles = Generates Kate project files. Kate - Ninja = Generates Kate project files. Kate - Unix Makefiles = Generates Kate project files. Eclipse CDT4 - NMake Makefiles = Generates Eclipse CDT 4.0 project files. Eclipse CDT4 - MinGW Makefiles = Generates Eclipse CDT 4.0 project files. Eclipse CDT4 - Ninja = Generates Eclipse CDT 4.0 project files. Eclipse CDT4 - Unix Makefiles= Generates Eclipse CDT 4.0 project files.

qmake 是模仿cmake 的一个东西, 但是仅支持make

一般情况下我们在源码的同级目录下创建build文件夹

QMake 跨平台编译

Windows

在 mingw730_64/mingw730_32/msvc2017/msvc2017_64 选一个

以 mingw730_64 为例:

将以下exe的目录加入环境变量(如果多个加成临时的环境变量)

C:\Qt\Qt5.12.9\Tools\mingw730_64\bin\mingw32-make.exe

C:\Qt\Qt5.12.9\5.12.9\mingw73_64\bin\qmake.exe

切换到源码目录

cd E:\PMSoft\NewSrc\trunk\Tools\qt_cross\qmake_demo\hello_build

qmake生成cmake的文件

qmake ../hello/hello.pro

生成exe

使用mingw32-make

release:

mingw32-make

debug:

mingw32-make -f Makefile.Debug

Ubuntu

目前都是64位的系统以gcc_64为例

/qt安装目录/gcc_64/lib

永久添加环境变量

打开文件 ~ 表示当前用户

vi ~/.bashrc

添加环境变量

export PATH=$PATH:~/Qt/5.15.2/gcc_64/bin:~/Qt/Tools/CMake/bin

生效文件

source ~/.bashrc

确认成功

qmake -v

跳转到build目录

cd ~/qt_src/qt_cross/qmake_demo/hello_build

生成cmake文件

qmake ../hello/hello.pro

编译 -j4 启动几个cpu进行编译

make clean;
make -j4

CMake 跨平台编译

编译流程

用CMake 生成 Makefile

cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DCMAKE_DEPENDS_USE_COMPILER=FALSE -G "CodeBlocks - MinGW Makefiles"  ../

或者简化为

cmake "-GCodeBlocks - MinGW Makefiles"  ../

解释pwd为当前目录

cmake会在pwd 生成makefile文件供make使用
会根据 ../ 为CMakeLists.txt所在的目录
- CMakeLists.txt 中有包含哪些文件, 怎么编译的信息
- 各种配置如MinGW目录 QT_Creator 放在了 CMakeLists.txt.user 中, 里面是各种环境变量
- Clion全部放在了CMakeLists.txt
-D
- 里面有很多编译设置 , 编译出来放在CMakeCache.txt
-G
- -GCodeBlocks - MinGW Makefiles 指MinGW的文件
  - 因为有空格的原因可以写为: -G "CodeBlocks - MinGW Makefiles"
- CodeBlocks 是一个IDE, 同理有 CodeLite, Sublime Text 2,Kate, Eclipse CDT4, Ninja,Borland,Visual Studio 等等

使用make编译

make(linux)  or mingw32-make(windows)

windows实例:

在hello源码目录同级建立hello_build文件夹

cd hello_build

用CMake 生成 Makefile

cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DCMAKE_DEPENDS_USE_COMPILER=FALSE -G "CodeBlocks - MinGW Makefiles"  ../hello

make build exe

cmake --build . --target all -- -j 3

mingw32-make

linux实例:

在hello源码目录同级建立hello_build文件夹

mkdir hello_build
cd hello_build

用CMake 生成 Makefile

cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DCMAKE_DEPENDS_USE_COMPILER=FALSE -G "CodeBlocks - Unix Makefiles"  ../hello

make build exe

cmake --build . --target all -- -j 3

make

CMake和QMake对比

	CMAKE	QMAKE
支持	qt6.0默认	qt5.0默认
跨平台	ok	ok
导入VS	麻烦,每次更新CMake都要重新导入	简单,每次更新CMake都要重新导入
导入Clion	简单	不支持
QTCreator	ok, 单要特定格式	ok
第三方控件	ok	没办法

IDE的选择

ToolChain	QT Creator	vs	clion
CMake	cmake/qMake	cmake/vs_qmake	cmake
编译器	vs/MinGW	ninja	vs/MinGW

使用Clion进行开发

打开setting

修改ToolChains 为QT
修改build dicrectory: cmake

使用Visual Studio

vs2019及以上才支持默认采用Ninja

cmake -G "Ninja"  -DCMAKE_BUILD_TYPE:STRING="Debug" -DCMAKE_MAKE_PROGRAM="ninja.exe" ../

cmakelist.txt中添加

修改CMakeSettings.json

      "variables": [
        {
          "name": "Qt5_DIR",
          "value": "C:/Qt/Qt5.12.9/5.12.9/msvc2017_64/lib/cmake/Qt5",
          "type": "PATH"
        },
        {
          "name": "Qt5Core_DIR",
          "value": "C:/Qt/Qt5.12.9/5.12.9/msvc2017_64/lib/cmake/Qt5Core",
          "type": "PATH"
        },
        {
          "name": "Qt5Gui_DIR",
          "value": "C:/Qt/Qt5.12.9/5.12.9/msvc2017_64/lib/cmake/Qt5Gui",
          "type": "PATH"
        },
        {
          "name": "Qt5Widgets_DIR",
          "value": "C:/Qt/Qt5.12.9/5.12.9/msvc2017_64/lib/cmake/Qt5Widgets",
          "type": "PATH"
        },
        {
          "name": "QT_DIR",
          "value": "C:/Qt/Qt5.12.9/5.12.9/msvc2017_64/lib/cmake",
          "type": "PATH"
        }

集成电路发展史 ​

指令集的发展 ​

比较主流的指令集 ​

为什么有这么多ISA? ​

X86和ARM的优劣势 ​

指令集之间是可以转换的 ​

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单片机的各种编程语言 ​

汇编语言 ​

汇编语言编译器 ​

高级语言 ​

C/C++语言 ​

C++/C编译器: ​

Keil ​

IAR/STVD/ICCAVR ​

ArduinoIDE ​

其他编译器 ​

其他语言 ​

micropython ​

tinygo ​

nodemcu(lua) ​

C/C++编译过程发展史 ​

c/c++ 与 gcc/g++ ​

makefile的出现 ​

cmake的出现 ​

与make-cmake 同时出现的解决方案有 ​

cmake 几乎支持所有的其他编译脚本: ​

qmake 是模仿cmake 的一个东西, 但是仅支持make ​

QMake 跨平台编译 ​

Windows ​

以 mingw730_64 为例: ​

切换到源码目录 ​

qmake生成cmake的文件 ​

生成exe ​

使用mingw32-make ​

Ubuntu ​

永久添加环境变量 ​

跳转到build目录 ​

生成cmake文件 ​

编译 -j4 启动几个cpu进行编译 ​

CMake 跨平台编译 ​

编译流程 ​

用CMake 生成 Makefile ​

使用make编译 ​

windows实例: ​

linux实例: ​

CMake和QMake对比 ​

IDE的选择 ​

推荐直接只用QTCreator 新建CMake工程 ​

使用Clion进行开发 ​

使用Visual Studio ​

集成电路发展史

指令集的发展

比较主流的指令集

为什么有这么多ISA?

X86和ARM的优劣势

指令集之间是可以转换的

指令集(ISA)与架构与芯片之间的关系

什么是架构

麒麟支持哪些CPU?

六个经典单片机种类介绍

51单片机

AVR/PIC/PowerPC/MIPS

ARM

DSP/FPGA

单片机的各种编程语言

汇编语言

汇编语言编译器

高级语言

C/C++语言

C++/C编译器:

Keil

IAR/STVD/ICCAVR

ArduinoIDE

其他编译器

其他语言

micropython

tinygo

nodemcu(lua)

C/C++编译过程发展史

c/c++ 与 gcc/g++

makefile的出现

cmake的出现

与make-cmake 同时出现的解决方案有

cmake 几乎支持所有的其他编译脚本:

qmake 是模仿cmake 的一个东西, 但是仅支持make

QMake 跨平台编译

Windows

以 mingw730_64 为例:

切换到源码目录

qmake生成cmake的文件

生成exe

使用mingw32-make

Ubuntu

永久添加环境变量

跳转到build目录

生成cmake文件

编译 -j4 启动几个cpu进行编译

CMake 跨平台编译

编译流程

用CMake 生成 Makefile

使用make编译

windows实例:

linux实例:

CMake和QMake对比

IDE的选择

推荐直接只用QTCreator 新建CMake工程

使用Clion进行开发

使用Visual Studio