嵌入式系統(tǒng)程序運(yùn)行的相關(guān)問(wèn)題解答

問(wèn)題1：FLASH中的代碼是如何得到運(yùn)行的呢？比如PC指針是在哪里由誰(shuí)設(shè)置的？

以ARM為例：

ARM-cortex-M3/4的單片機(jī)（比如STM32 等）：該類(lèi)單片機(jī)的代碼在nor flash中，cortex內(nèi)核可以直接運(yùn)行，不需要將代碼加載到ram中運(yùn)行。

ARM-cortex-A系列的SOC（比如Exynos4412）：該類(lèi)SOC更加復(fù)雜，通常有內(nèi)存管理單元（MMU），代碼存儲(chǔ)在nand flash中，程序運(yùn)行時(shí)，需要先將代碼加載到ram中運(yùn)行，該類(lèi)SOC的啟動(dòng)環(huán)節(jié)包含了加載程序。就像Windows操作系統(tǒng)存儲(chǔ)在硬盤(pán)中，開(kāi)機(jī)的時(shí)候，操作系統(tǒng)的代碼會(huì)加載到內(nèi)存條（RAM）中。

PC指針：無(wú)論什么單片機(jī)或者SOC，都有一個(gè)PC寄存器，這個(gè)寄存器保存了下一條待取指令的地址。正常情況下自動(dòng)加“4”，遇到分支跳轉(zhuǎn)的時(shí)候，由跳轉(zhuǎn)指令設(shè)置值。那么指針是什么？指針是一個(gè)變量的地址，在含有操作系統(tǒng)（比如Linux、Windows）即硬件層面含有內(nèi)存管理單元（MMU）的情況下，指針是虛擬地址，不含操作系統(tǒng)的情況下，是物理地址，虛擬地址和物理地址經(jīng)過(guò)MMU轉(zhuǎn)換。

問(wèn)題2：這些代碼需要搬到RAM中才能運(yùn)行嗎？不這樣做會(huì)有什么不妥嗎？

上文講了，大部分單片機(jī)的代碼直接在nor flash中運(yùn)行，少部分需要加載到ram中。nor flash可以直接尋址一個(gè)字節(jié)，可以找到一個(gè)指令的具體地址，因此可以直接運(yùn)行。nand flash 的存儲(chǔ)單元是塊，不能對(duì)指令直接尋址，因此不能直接運(yùn)行其中的代碼。因此保存在nand flash中的程序不加載到ram中運(yùn)行不了。即你的硬盤(pán)中的Windows不加載到內(nèi)存條中，運(yùn)行不起來(lái)。

問(wèn)題3：如果需要搬到RAM，那是片內(nèi)還是片外有什么區(qū)別嗎？

片內(nèi)片外都可以，具體看是那款SOC或CPU了。

問(wèn)題4：如果用戶(hù)存在FLASH的實(shí)際代碼大?。ū热?MB），超過(guò)了RAM的可用空間（比如512KB），那這個(gè)搬移過(guò)程是啥樣的？

現(xiàn)在實(shí)際情況很少遇到這種情況，當(dāng)然可能會(huì)有RAM很小的系統(tǒng)，可以分時(shí)分段的使用，即程序運(yùn)行一段，加載一段，運(yùn)行完，加載下一段。很不建議這樣玩，現(xiàn)在的RAM很大了，你的實(shí)際代碼達(dá)到1MB的時(shí)候，你的內(nèi)存可能都有1G，2G了。比如Linux操作系統(tǒng)編譯完后，實(shí)際上只有幾MB，實(shí)際的Linux系統(tǒng)會(huì)有幾個(gè)G 的內(nèi)存可用。

問(wèn)題5：片外擴(kuò)展的FLASH和SRAM與片內(nèi)的想比，除了空間大小有差別，性能速度上會(huì)有怎樣的差異呢？

具體要看SOC的總線(xiàn)設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)片外的性能弱一點(diǎn)。

能不能在Flash中直接運(yùn)行程序代碼，取決于Flash的訪問(wèn)特性。

Flash存儲(chǔ)器是按塊組織的，在使用時(shí)也傾向于按塊訪問(wèn)才更加高效。Flash類(lèi)似于ROM一類(lèi)的存儲(chǔ)器，但它其實(shí)是可讀可寫(xiě)的，不同于同樣可讀可寫(xiě)的RAM，它在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)需要先將你所寫(xiě)位置所屬的塊擦除，不管你是不是只寫(xiě)幾個(gè)字節(jié)，所以如果要改寫(xiě)Flash中的數(shù)據(jù)，總是會(huì)先將數(shù)據(jù)所屬的塊緩存到內(nèi)存中，然后再在內(nèi)存中改寫(xiě)好數(shù)據(jù)后又重新將塊寫(xiě)回，這樣就不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，但是花銷(xiāo)太大。讀的時(shí)候，往往也是先定位塊的位置，然后在塊中順序讀取，在不同塊中間斷讀取數(shù)據(jù)是非常低效的，所以按塊讀按塊寫(xiě)是Flash的一大特點(diǎn)，它不能夠隨意的對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域?qū)ぶ?，典型的如NAND Flash。

不過(guò)有一類(lèi)Flash存儲(chǔ)器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)可以做到任意的尋址而不會(huì)有太大的花銷(xiāo)，它的讀操作是接近于RAM的，而寫(xiě)操作依然延續(xù)了按塊擦除然后再按塊寫(xiě)的特點(diǎn)，典型的如NOR Flash。

所以正因?yàn)檫@樣的特性，F(xiàn)lash通常用于存儲(chǔ)不需要頻繁改動(dòng)的掉電不能丟失的數(shù)據(jù)。

介紹完背景知識(shí)，回到問(wèn)題：

首先要清楚的是，CPU需要在存儲(chǔ)器中讀取指令，指令地址由PC寄存器給出，每執(zhí)行完一條指令PC會(huì)自動(dòng)的指向下一條指令，如果指令的長(zhǎng)度不等會(huì)使得給出的地址不總是有一致的對(duì)齊，其次程序運(yùn)行總會(huì)伴隨跳轉(zhuǎn)，這使得指令的尋址更具有隨意性，所以說(shuō)要直接在某種存儲(chǔ)器中執(zhí)行程序，至少讀取數(shù)據(jù)時(shí)要能夠任意尋址，而NOR Flash是剛好能滿(mǎn)足要求的，市面上常見(jiàn)的MCU內(nèi)置的Flash就是這種類(lèi)型，所以能夠直接在上面運(yùn)行存儲(chǔ)的程序，而不需要加載到RAM中。其他不具備這種訪問(wèn)特性的存儲(chǔ)器是不能直接在上面執(zhí)行程序的，必須轉(zhuǎn)移到滿(mǎn)足這種特性的存儲(chǔ)器當(dāng)中執(zhí)行，比如加載到RAM。

1、FLASH中的代碼是如何得到運(yùn)行的呢？比如PC指針是在哪里由誰(shuí)設(shè)置的？

采用cortex- m內(nèi)核的MCU會(huì)根據(jù)外部啟動(dòng)配置引腳的電平，將啟動(dòng)存儲(chǔ)器映射到0x00000000地址，如果是在Flash啟動(dòng)，在內(nèi)部Flash的起始位置會(huì)存儲(chǔ)一張異常中斷向量表，表中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)存儲(chǔ)了初始的棧地址和復(fù)位向量，這張表的位置是可配置的，而復(fù)位后的位置正是在0x00000000地址。硬件上電復(fù)位后，SP，PC寄存器會(huì)自動(dòng)依次設(shè)置為表中的前兩項(xiàng)，然后根據(jù)PC設(shè)置的初始值開(kāi)始執(zhí)行代碼，所以說(shuō)PC的值是在復(fù)位時(shí)是自動(dòng)設(shè)置的。

2、這些代碼需要搬到RAM中才能運(yùn)行嗎？不這樣做會(huì)有什么不妥嗎？

正如前面敘述的，并不必要。在RAM中執(zhí)行可能會(huì)得到更好的執(zhí)行性能，但是對(duì)于MCU內(nèi)部的Nor Flash來(lái)說(shuō)是沒(méi)有必要的。有一點(diǎn)要提及的是，程序一般會(huì)由代碼段txt，只讀數(shù)據(jù)段rodata，初始化數(shù)據(jù)段data和未初始化數(shù)據(jù)段bss(并無(wú)數(shù)據(jù))組成，只讀數(shù)據(jù)段因?yàn)楹痛a段一樣不需要改動(dòng)，所以可以留在Flash當(dāng)中 ，但是需要將也存儲(chǔ)在Flash中的data段加載到RAM中以及空出空間給bss。這是運(yùn)行環(huán)境的初始化，是有搬運(yùn)的，只是搬運(yùn)的不是代碼，這發(fā)生在進(jìn)入main函數(shù)之前。

3、如果需要搬到RAM，那是片內(nèi)還是片外有什么區(qū)別嗎？

在片內(nèi)的RAM性能會(huì)更好，但是容量一般不能做的太大。

4、如果用戶(hù)存在FLASH的實(shí)際代碼大小（比如1MB），超過(guò)了RAM的可用空間（比如512KB），那這個(gè)搬移過(guò)程是啥樣的？

是可以分階段加載執(zhí)行的，但是對(duì)程序的組織會(huì)變得復(fù)雜，運(yùn)行變得低效，如果出現(xiàn)了這種情況應(yīng)該考慮更換硬件配置或者對(duì)程序優(yōu)化裁剪。

5、片外擴(kuò)展的FLASH和SRAM與片內(nèi)的想比，除了空間大小有差別，性能速度上會(huì)有怎樣的差異呢？

這取決于存儲(chǔ)器的時(shí)鐘速率和訪問(wèn)延遲，集成在內(nèi)部的存儲(chǔ)器性能一般是能比片外的更好的，所以要使程序有更高的運(yùn)行性能應(yīng)該優(yōu)先使用內(nèi)部存儲(chǔ)器。低端MCU由于運(yùn)行速率低，內(nèi)部和外部不會(huì)有太大的區(qū)別。

可以從以下三個(gè)方面可以回答這個(gè)問(wèn)題：

1、計(jì)算機(jī)組成原理

? 馮諾依曼模型 ? 計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的同學(xué)對(duì)這張圖一定不陌生，這是最經(jīng)典的計(jì)算機(jī)模型，現(xiàn)在所有的計(jì)算機(jī)設(shè)備（當(dāng)然也包括嵌入式）都沒(méi)有跳出這個(gè)模型。里面的五項(xiàng)可以分為三部分：（1）CU和ALU是CPU（2）Memory是內(nèi)存設(shè)備（理想的內(nèi)存設(shè)備）（3）Input和Output是各種外設(shè)設(shè)備（鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器······）。 ? 我們這里關(guān)注的點(diǎn)是內(nèi)存設(shè)備。馮諾依曼模型中將Memory想象成理想內(nèi)存設(shè)備。所謂理想內(nèi)存設(shè)備就是可讀可寫(xiě)、非易失、隨機(jī)讀寫(xiě)。對(duì)于理論模型來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)介易懂是關(guān)鍵。但是在現(xiàn)實(shí)中卻沒(méi)有這么理想，受限于成本，不同的存儲(chǔ)器只能滿(mǎn)足部分指標(biāo)，這就是接下來(lái)要說(shuō)的主流存儲(chǔ)器。

? 2、主流存儲(chǔ)器的特點(diǎn) ?

現(xiàn)在的存儲(chǔ)器可以大致分為兩類(lèi)：RAM和ROM。關(guān)于這兩類(lèi)存儲(chǔ)器的具體定義和發(fā)展歷程已經(jīng)有很多總結(jié)，這里就不再贅述，只從我個(gè)人的角度談一下對(duì)這兩類(lèi)存儲(chǔ)器的理解。 ? （1）RAM，具體可以分為SRAM和DRAM ? 共同特點(diǎn)（RAM的根本特點(diǎn)）：可讀可寫(xiě)、隨機(jī)讀寫(xiě) ? 區(qū)別：SRAM上電即可用，DRAM需要初始化后才能使用，并且SRAM單位成本高于DRAM。 ? （2）ROM，具體可分為硬盤(pán)、Flash（NOR Flash和NAND Flash） ? 共同特點(diǎn)：非易失 ? 區(qū)別：硬盤(pán)和NAND Flash都是整塊讀寫(xiě)、NOR Flash可以隨機(jī)讀，但是需要整塊寫(xiě)。 ? NOR Flash非易失、隨機(jī)讀的特性讓它可以作為系統(tǒng)的啟動(dòng)介質(zhì)。 ?

3、CPU與存儲(chǔ)器之間的速度差異是現(xiàn)在制約計(jì)算機(jī)性能的主要原因。 ?

4、具體到上面5個(gè)問(wèn)題 ? （1）具體要看是什么Flash，如果是NOR Flash，那么系統(tǒng)可以直接訪問(wèn)執(zhí)行。如果是NAND Flash，則需要將代碼加載到RAM中再運(yùn)行。PC寄存器在CPU中，在CPU上電時(shí)由硬件設(shè)置一個(gè)特定的值（例如：ARM Cortex-M3的PC寄存器上電默認(rèn)是0x4）。 ? （2）和第一問(wèn)一樣，需不需要搬移代碼要看Flash類(lèi)型。 ? （3）如果是相同類(lèi)型的RAM，片內(nèi)和片外沒(méi)有區(qū)別。如果RAM類(lèi)型不同，就需要具體情況具體分析。 ? （4）這里假設(shè)Flash是1MB，RAM是512KB，猜測(cè)應(yīng)該是NOR Flash和SRAM（例如STM32），則代碼不需要搬移。如果是NAND Flash，一般會(huì)和DRAM搭配，容量會(huì)大很多，應(yīng)該假設(shè)不成立。 ?

編輯：黃飛

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