單片機執行指令過程詳解

單片機執行程序的過程，實際上就是執行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計算機每執行一條指令都可分為三個階段進行。即取指令-----分析指令-----執行指令。

取指令的任務是：根據程序計數器PC中的值從程序存儲器讀出現行指令，送到指令寄存器。

分析指令階段的任務是：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進行譯碼，分析其指令性質。如指令要求操作數，則尋找操作數地址。

計算機執行程序的過程實際上就是逐條指令地重復上述操作過程，直至遇到停機指令可循環等待指令。

一般計算機進行工作時，首先要通過外部設備把程序和數據通過輸入接口電路和數據總線送入到存儲器，然后逐條取出執行。但單片機中的程序一般事先我們都已通過寫入器固化在片內或片外程序存儲器中。因而一開機即可執行指令。

下面我們將舉個實例來說明指令的執行過程：

開機時，程序計算器PC變為0000H。然后單片機在時序電路作用下自動進入執行程序過程。執行過程實際上就是取出指令（取出存儲器中事先存放的指令階段）和執行指令（分析和執行指令）的循環過程。

例如執行指令：MOV A，#0E0H，其機器碼為“74H E0H”，該指令的功能是把操作數E0H送入累加器，0000H單元中已存放74H，0001H單元中已存放E0H。當單片機開始運行時，首先是進入取指階段，其次序是：

1 程序計數器的內容（這時是0000H）送到地址寄存器;

2 程序計數器的內容自動加1（變為0001H）;

3 地址寄存器的內容（0000H）通過內部地址總線送到存儲器，以存儲器中地址譯碼電跟，使地址為0000H的單元被選中;

4 CPU使讀控制線有效;

5 在讀命令控制下被選中存儲器單元的內容（此時應為74H）送到內部數據總線上，因為是取指階段，所以該內容通過數據總線被送到指令寄存器。

至此，取指階段完成，進入譯碼分析和執行指令階段。

由于本次進入指令寄存器中的內容是74H（操作碼），以譯碼器譯碼后單片機就會知道該指令是要將一個數送到A累加器，而該數是在這個代碼的下一個存儲單元。所以，執行該指令還必須把數據（E0H）從存儲器中取出送到CPU，即還要在存儲器中取第二個字節。其過程與取指階段很相似，只是此時PC已為0001H。指令譯碼器結合時序部件，產生74H操作碼的微操作系列，使數字E0H從0001H單元取出。

因為指令是要求把取得的數送到A累加器，所以取出的數字經內部數據總線進入A累加器，而不是進入指令寄存器。至此，一條指令的執行完畢。單片機中PC=0002H，PC在CPU每次向存儲器取指或取數時自動加1，單片機又進入下一取指階段。這一過程一直重復下去，直至收到暫停指令或循環等待指令暫停。CPU就是這樣一條一條地執行指令，完成所有規定的功能。

對于一款mcu來說，在性能描述的時候都會告訴sram，flash的容量大小，對于初學者來說，也不會去考慮和理會這些東西，拿到東西就只用。其實不然，這些量都是十分重要的，仔細想想，代碼為什么可以運行，代碼量是多少，定義的int、short等等類型的變量究竟是怎么分配和存儲的，這些問題都和內寸有關系。

首先單片機的內存可以大小分為ram和rom，這里就不再解釋ram和rom的區別了，我們可以將其等效為flash和sram，其中根據flash和sram的定義可得，flash里面的數據掉電可保存，sram中的并不可以，但是sram的執行速度要快于flash，可以將單片機的程序分為code（代碼存儲區）、RO-data（只讀數據存儲區）、RW-data（讀寫數據存儲區）和ZI-data（零初始化數據區）。在MDK編譯器下可以觀察到在代碼中這4個量的值，如下圖1所示：

其中code和RO-data存儲在flash中，所以兩者之和為單片機中flash需要分配給它們的空間大小（并且等于代碼所生成的.bin文件大小），另外RW-data和ZI-data存儲在sram中，同樣兩者之和為單片機中sram需要分配給它們的空間大小。

另外，我們必然會想到棧區（stack）、堆區（heap）、全局區（靜態區）（staTIc）、文字常量區和程序代碼區和上面所介紹的code、RO-data等的關系。

1、棧區（stack）：由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似于數據結構中的棧。 這些值是可讀寫的，那么stack應該被包含在RW-data（讀寫數據存儲區），也就是單片機的sram中。

2、堆區（heap）：一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。可以理解，這些也是被包含在單片機的sram中的。

3、全局區（靜態區）（staTIc）：全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域，程序結束后由系統釋放。這些數據也是可讀可寫的，和stack、heap一樣，被包含在sram中。

4、文字常量區：常量字符串就是放在這里的。這些數據是只讀的，分配在RO-data（只讀數據存儲區），則被包含在flash中。

5、程序代碼區：存放函數體的二進制代碼，可以想象也是被包含在flash，因為對于MCU來說，當其重新上電，代碼還會繼續運行，并不會消失，所以存儲在flash中。