單片機(jī)里的程序是如何運(yùn)行？

前言

我們想要理解單片機(jī)是如何運(yùn)行程序的，我們首先需要了解單片機(jī)的組成，我們這里以80C51單片機(jī)為例來理解程序在單片機(jī)中是如何運(yùn)行的。

單片機(jī)的組成

8051單片機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)包括：

• 中央處理器CPU：它是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，決定了單片機(jī)的主要功能特性，由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。
• 存儲(chǔ)器：8051單片機(jī)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了哈佛型，將程序和數(shù)據(jù)分別存放在兩個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)，一個(gè)稱為程序存儲(chǔ)器，另一個(gè)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理結(jié)構(gòu)上分程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有四個(gè)物理上相互獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，即片內(nèi)ROM和片外ROM，片內(nèi)RAM和片外RAM。
• 定時(shí)器／計(jì)數(shù)器（T／C）：8051單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，每個(gè)T／C既可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并以其定時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
• 并行I／O口：8051有四個(gè)8位并行I／O接口（P0～P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。
• 串行口：8051單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和單片機(jī)或其他設(shè)備間的串行通信。
• 中斷控制系統(tǒng)：8051共有5個(gè)中斷源，非為高級(jí)和低級(jí)兩個(gè)級(jí)別它可以接收外部中斷申請(qǐng)、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器申請(qǐng)和串行口申請(qǐng)，常用于實(shí)時(shí)控制、故障自動(dòng)處理、計(jì)算機(jī)與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)及人機(jī)對(duì)話等。

單片機(jī)啟動(dòng)過程

單片機(jī)的啟動(dòng)過程是加電后，先運(yùn)行芯片內(nèi)部固有程序（這個(gè)程序是用戶訪問不到也改寫不了的），即啟動(dòng)代碼。啟動(dòng)代碼程序建立完運(yùn)行環(huán)境后，會(huì)去讀串口狀態(tài)，就是用戶下載程序用到的各個(gè)端口，判斷用戶是否正在使用端口準(zhǔn)備下載程序。

如果是，就按用戶要求，把用戶程序下載到指定地址上。如果不是，就跳轉(zhuǎn)到已經(jīng)下載過的用戶程序入口，從而把芯片控制權(quán)交給用戶程序。如果是新的芯片還沒有下載過，那么就停留在讀取串口狀態(tài)的循環(huán)中。

啟動(dòng)代碼通常都燒寫在flash中，它是系統(tǒng)一上電就執(zhí)行的一段程序，它運(yùn)行在任何用戶C代碼之前。上電后，arm處理器處于arm態(tài)，運(yùn)行于管理模式，同時(shí)系統(tǒng)所有中斷被禁止，PC到地址0處取指令執(zhí)行。

一個(gè)可執(zhí)行映像文件必須有個(gè)入口點(diǎn)，而能放在rom起始處的映像文件的入口地址也必須設(shè)置為0。在匯編語(yǔ)言中，可以自行定義定義一個(gè)程序的入口點(diǎn)，當(dāng)工程中有多個(gè)入口點(diǎn)時(shí)，需要在連接器中使用-entry指出程序的入口點(diǎn)。

如果用戶創(chuàng)建的程序中，包含了main函數(shù)，則與C庫(kù)初始化代碼對(duì)應(yīng)的也會(huì)有個(gè)入口點(diǎn)?？偟膩碚f，啟動(dòng)代碼主要完成兩方面的工作，一是初始化執(zhí)行環(huán)境，例如中斷向量表、堆棧、I/O等；二是初始化c庫(kù)和用戶應(yīng)用程序。

在第一階段，啟動(dòng)代碼的過程可以描述為：

• 建立中斷向量表；
• 初始化存儲(chǔ)器；
• 初始化堆棧寄存器；
• 初始化i/o以及其他必要的設(shè)備；
• 根據(jù)需要改變處理器的狀態(tài)。

PC電腦這些帶系統(tǒng)的設(shè)備在上電時(shí)，和單片機(jī)處理過程差不多，只不過他們是讀取的BIOS，有它完成了很多初始化操作，最后，調(diào)用系統(tǒng)的初始化函數(shù)，將控制權(quán)交給了操作系統(tǒng)，于是我們看到了Windows，Linux系統(tǒng)啟動(dòng)了。

如果將操作系統(tǒng)看作是在處理器上跑的一個(gè)很大的裸機(jī)程序(就是直接在硬件上跑的程序，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)就是直接跑在CPU上的)，那么操作系統(tǒng)的啟動(dòng)很像MCU程序的啟動(dòng)。前者有一個(gè)很大的初始化程序完成很復(fù)雜的初始化，后者有一段不長(zhǎng)的匯編代碼完成一些簡(jiǎn)單的初始化。

如果是系統(tǒng)上的程序啟動(dòng)呢?它們是由系統(tǒng)來決定的，Linux上在shell下輸入./p后，首先檢查是否是一個(gè)內(nèi)建的shell命令；如果不是，則shell假設(shè)他是一個(gè)可執(zhí)行文件(Linux上一般是elf格式)，然后調(diào)用一些相關(guān)的函數(shù)，將在硬盤上的p文件的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存(DDR RAM)中，并建立一個(gè)它的運(yùn)行環(huán)境(當(dāng)然這里邊還有內(nèi)存映射，虛擬內(nèi)存，連接與加載，等一些其他東西)，準(zhǔn)備執(zhí)行。

由以上可知，單片機(jī)上的程序和平時(shí)在系統(tǒng)上運(yùn)行的程序，在啟動(dòng)時(shí)差異是很大的，如果將程序調(diào)用main以前的動(dòng)作，都抽象為初始化的話，程序的啟動(dòng)可以簡(jiǎn)化為：建立運(yùn)行環(huán)境+調(diào)用main函數(shù)，這樣程序的執(zhí)行差異是不大的。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)上跑的程序(裸機(jī)程序)，是和操作系統(tǒng)一樣跑在硬件上的，它們屬于一個(gè)層次的。過去之所以沒有區(qū)分出單片機(jī)上的程序和PC機(jī)上的程序的一些差異，就是沒有弄明白這一點(diǎn)。

程序的執(zhí)行

關(guān)于程序在執(zhí)行時(shí)，從哪里讀取指令，哪里讀取數(shù)據(jù)，也曾因?yàn)闆]有弄清楚系統(tǒng)上的程序和裸機(jī)程序之間的區(qū)別，而疑惑了很久。

單片機(jī)中一個(gè)程序的運(yùn)行過程分為取指令，分析指令和執(zhí)行指令幾個(gè)步驟。

• 取指令的任務(wù)是：根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值從程序存儲(chǔ)器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器。
• 分析指令階段的任務(wù)是：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。
• 計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過程，直至遇到停機(jī)指令可循環(huán)等待指令。

雖然在《微型計(jì)算機(jī)原理》課上知道程序運(yùn)行時(shí)，從內(nèi)存中讀取指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行和回寫。但是單片機(jī)上只有幾K的RAM，而flash一般有幾十K甚至1M，這個(gè)時(shí)候指令和數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中嗎？

這里指的內(nèi)存僅指RAM，因?yàn)镻C上我們常說的內(nèi)存就是DDR RAM memory，先入為主以至于認(rèn)為單片機(jī)上也是這樣，還沒有明白其實(shí)RAM和Flash都是內(nèi)存。

這不可能，因?yàn)檎n上老師只說內(nèi)存，但是PC上內(nèi)存一般就是DDR RAM，不會(huì)是硬盤，硬盤是保存數(shù)據(jù)的地方；由此類比時(shí)，自己把自己弄暈菜了，單片機(jī)的RAM對(duì)應(yīng)于DDR RAM，那Flash是不是就對(duì)應(yīng)于硬盤了呢?在CSAPP上明白了，PC上之所以都在DDR RAM上，是速度的因素。

硬盤的速度太慢，即使是即將到來的SSD比起DDRRAM，還是差著幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以拷貝到DDRRAM中。這時(shí)，一個(gè)程序的代碼和數(shù)據(jù)是連續(xù)存放的，其中代碼段是只讀區(qū)域，數(shù)據(jù)段是可讀寫區(qū)域(這是由操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制決定的)。

運(yùn)行時(shí)，再將它們拷貝到速度更快的SRAM中，以得到更快的執(zhí)行速度。而對(duì)于，單片機(jī)而言工作頻率也就幾M，幾十M，從Flash中與從RAM中讀的差異可能并不明顯，不會(huì)成為程序執(zhí)行的瓶頸(而對(duì)于PC而言，F(xiàn)lash的速度太慢，DDRRAM的速度也是很慢，即使是SRAM也是慢了不少，于是再提高工作頻率也提高不了程序的執(zhí)行速度，所以現(xiàn)在CPU工作頻率最快是在2003左右，一個(gè)瓶頸出現(xiàn)了。

舉個(gè)例子

開機(jī)時(shí)，程序計(jì)算器PC變?yōu)?code>0000H。然后單片機(jī)在時(shí)序電路作用下自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行程序過程。執(zhí)行過程實(shí)際上就是取出指令(取出存儲(chǔ)器中事先存放的指令階段)和執(zhí)行指令(分析和執(zhí)行指令)的循環(huán)過程。

例如執(zhí)行指令：MOV A,#0E0H，其機(jī)器碼為74H E0H，該指令的功能是把操作數(shù)E0H送入累加器，0000H單元中已存放74H，0001H單元中已存放E0H。當(dāng)單片機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，首先是進(jìn)入取指階段，其次序是：

• 程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容(這時(shí)是0000H)送到地址寄存器;
• 程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容自動(dòng)加1(變?yōu)?code>0001H);
• 地址寄存器的內(nèi)容(0000H)通過內(nèi)部地址總線送到存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)器中地址譯碼電跟，使地址為0000H的單元被選中;
• CPU使讀控制線有效;
• 在讀命令控制下被選中存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容(此時(shí)應(yīng)為74H)送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，因?yàn)槭侨≈鸽A段，所以該內(nèi)容通過數(shù)據(jù)總線被送到指令寄存器。

多線程執(zhí)行程序

為了提高CPU的使用率，換個(gè)角度想一下，既然不能減少一段程序的執(zhí)行時(shí)間，就在同樣的時(shí)間執(zhí)行更多的程序，一個(gè)核執(zhí)行一段程序，兩個(gè)核就可以執(zhí)行兩段程序，于是多核CPU成為了現(xiàn)在的主流)。

所以裸機(jī)程序指令就在Flash(Flash memory)中存放，而數(shù)據(jù)就放在了RAM中(flash的寫入次數(shù)有限制，同時(shí)它的速度和RAM還是差很多)。更廣泛說，在單片機(jī)上RAM存放data段，bss段，堆棧段;ROM(EPROM，EEPROM，F(xiàn)lash等非易失性存儲(chǔ)設(shè)備)存放代碼，只讀數(shù)據(jù)段。

本質(zhì)上說，這和PC上程序都在RAM中存放是一樣的，PC 上是操作系統(tǒng)規(guī)定了可讀與可寫，而單片機(jī)上是依靠不同的存儲(chǔ)設(shè)備區(qū)分了可讀與可寫(當(dāng)然現(xiàn)在的Flash是可讀寫的，如果Flash沒有寫入次數(shù)限制，速度又可以和RAM相差不多，單片機(jī)上是不是只要Flash就可以了呢(直接相當(dāng)于PC上的DDRRAM)?這樣成本也會(huì)比一個(gè)RAM，一個(gè)Flash低，更節(jié)省成本，對(duì)于生產(chǎn)商更劃算)。

數(shù)據(jù)的存放與讀取

對(duì)于單片機(jī)的程序執(zhí)行時(shí)指令和數(shù)據(jù)的存放與讀取，理解如下：

對(duì)單片機(jī)編程后，程序的代碼段，data段，bss段，rodata段等都存放在Flash中。當(dāng)單片機(jī)上電后，初始化匯編代碼將data段，bss段，復(fù)制到RAM中，并建立好堆棧，開始調(diào)用程序的main函數(shù)。

之后，便有了程序存儲(chǔ)器，和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之分，運(yùn)行時(shí)從Flash(即指令存儲(chǔ)器，代碼存儲(chǔ)器)中讀取指令 ，從RAM中讀取與寫入數(shù)據(jù)。RAM存在的意義就在于速度更快。

無論是單片機(jī)也好，PC也罷，存在的存儲(chǔ)器金字塔都是一致的，速度的因素，成本的限制導(dǎo)致了一級(jí)級(jí)更快的存儲(chǔ)器的更快速度與更高的成本。應(yīng)該說，對(duì)于它們的理解，就是存儲(chǔ)器金字塔的理解。

結(jié)語(yǔ)

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