問題1：FLASH中的代碼是如何得到運行的呢？比如PC指針是在哪里由誰設置的？

以ARM為例：

ARM-cortex-M3/4的單片機（比如STM32 等）：該類單片機的代碼在nor flash中，cortex內核可以直接運行，不需要將代碼加載到ram中運行。

ARM-cortex-A系列的SOC（比如Exynos4412）：該類SOC更加復雜，通常有內存管理單元（MMU），代碼存儲在nand flash中，程序運行時，需要先將代碼加載到ram中運行，該類SOC的啟動環(huán)節(jié)包含了加載程序。就像Windows操作系統(tǒng)存儲在硬盤中，開機的時候，操作系統(tǒng)的代碼會加載到內存條（RAM）中。

PC指針：無論什么單片機或者SOC，都有一個PC寄存器，這個寄存器保存了下一條待取指令的地址。正常情況下自動加“4”，遇到分支跳轉的時候，由跳轉指令設置值。那么指針是什么？指針是一個變量的地址，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過MMU轉換。

問題2：這些代碼需要搬到RAM中才能運行嗎？不這樣做會有什么不妥嗎？

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

問題3：如果需要搬到RAM，那是片內還是片外有什么區(qū)別嗎？

片內片外都可以，具體看是那款SOC或CPU了。

問題4：如果用戶存在FLASH的實際代碼大小（比如1MB），超過了RAM的可用空間（比如512KB），那這個搬移過程是啥樣的？

現(xiàn)在實際情況很少遇到這種情況，當然可能會有RAM很小的系統(tǒng)，可以分時分段的使用，即程序運行一段，加載一段，運行完，加載下一段。很不建議這樣玩，現(xiàn)在的RAM很大了，你的實際代碼達到1MB的時候，你的內存可能都有1G，2G了。比如Linux操作系統(tǒng)編譯完后，實際上只有幾MB，實際的Linux系統(tǒng)會有幾個G 的內存可用。

問題5：片外擴展的FLASH和SRAM與片內的想比，除了空間大小有差別，性能速度上會有怎樣的差異呢？

具體要看SOC的總線設計。一般來說片外的性能弱一點。

能不能在Flash中直接運行程序代碼，取決于Flash的訪問特性。

Flash存儲器是按塊組織的，在使用時也傾向于按塊訪問才更加高效。Flash類似于ROM一類的存儲器，但它其實是可讀可寫的，不同于同樣可讀可寫的RAM，它在寫入數(shù)據時需要先將你所寫位置所屬的塊擦除，不管你是不是只寫幾個字節(jié)，所以如果要改寫Flash中的數(shù)據，總是會先將數(shù)據所屬的塊緩存到內存中，然后再在內存中改寫好數(shù)據后又重新將塊寫回，這樣就不會丟失數(shù)據，但是花銷太大。讀的時候，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)據是非常低效的，所以按塊讀按塊寫是Flash的一大特點，它不能夠隨意的對存儲區(qū)域尋址，典型的如NAND Flash。

不過有一類Flash存儲器在讀取數(shù)據時可以做到任意的尋址而不會有太大的花銷，它的讀操作是接近于RAM的，而寫操作依然延續(xù)了按塊擦除然后再按塊寫的特點，典型的如NOR Flash。

所以正因為這樣的特性，F(xiàn)lash通常用于存儲不需要頻繁改動的掉電不能丟失的數(shù)據。

介紹完背景知識，回到問題：

首先要清楚的是，CPU需要在存儲器中讀取指令，指令地址由PC寄存器給出，每執(zhí)行完一條指令PC會自動的指向下一條指令，如果指令的長度不等會使得給出的地址不總是有一致的對齊，其次程序運行總會伴隨跳轉，這使得指令的尋址更具有隨意性，所以說要直接在某種存儲器中執(zhí)行程序，至少讀取數(shù)據時要能夠任意尋址，而NOR Flash是剛好能滿足要求的，市面上常見的MCU內置的Flash就是這種類型，所以能夠直接在上面運行存儲的程序，而不需要加載到RAM中。其他不具備這種訪問特性的存儲器是不能直接在上面執(zhí)行程序的，必須轉移到滿足這種特性的存儲器當中執(zhí)行，比如加載到RAM。

1、FLASH中的代碼是如何得到運行的呢？比如PC指針是在哪里由誰設置的？

采用cortex- m內核的MCU會根據外部啟動配置引腳的電平，將啟動存儲器映射到0x00000000地址，如果是在Flash啟動，在內部Flash的起始位置會存儲一張異常中斷向量表，表中的第一項和第二項存儲了初始的棧地址和復位向量，這張表的位置是可配置的，而復位后的位置正是在0x00000000地址。硬件上電復位后，SP，PC寄存器會自動依次設置為表中的前兩項，然后根據PC設置的初始值開始執(zhí)行代碼，所以說PC的值是在復位時是自動設置的。

2、這些代碼需要搬到RAM中才能運行嗎？不這樣做會有什么不妥嗎？

正如前面敘述的，并不必要。在RAM中執(zhí)行可能會得到更好的執(zhí)行性能，但是對于MCU內部的Nor Flash來說是沒有必要的。有一點要提及的是，程序一般會由代碼段txt，只讀數(shù)據段rodata，初始化數(shù)據段data和未初始化數(shù)據段bss(并無數(shù)據)組成，只讀數(shù)據段因為和代碼段一樣不需要改動，所以可以留在Flash當中 ，但是需要將也存儲在Flash中的data段加載到RAM中以及空出空間給bss。這是運行環(huán)境的初始化，是有搬運的，只是搬運的不是代碼，這發(fā)生在進入main函數(shù)之前。

3、如果需要搬到RAM，那是片內還是片外有什么區(qū)別嗎？

在片內的RAM性能會更好，但是容量一般不能做的太大。

4、如果用戶存在FLASH的實際代碼大小（比如1MB），超過了RAM的可用空間（比如512KB），那這個搬移過程是啥樣的？

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

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

這取決于存儲器的時鐘速率和訪問延遲，集成在內部的存儲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行性能應該優(yōu)先使用內部存儲器。低端MCU由于運行速率低，內部和外部不會有太大的區(qū)別。

可以從以下三個方面可以回答這個問題：

1、計算機組成原理

馮諾依曼模型

計算機專業(yè)的同學對這張圖一定不陌生，這是最經典的計算機模型，現(xiàn)在所有的計算機設備（當然也包括嵌入式）都沒有跳出這個模型。里面的五項可以分為三部分：（1）CU和ALU是CPU（2）Memory是內存設備（理想的內存設備）（3）Input和Output是各種外設設備（鍵盤、鼠標、顯示器······）。

我們這里關注的點是內存設備。馮諾依曼模型中將Memory想象成理想內存設備。所謂理想內存設備就是可讀可寫、非易失、隨機讀寫。對于理論模型來說，簡介易懂是關鍵。但是在現(xiàn)實中卻沒有這么理想，受限于成本，不同的存儲器只能滿足部分指標，這就是接下來要說的主流存儲器。

2、主流存儲器的特點

現(xiàn)在的存儲器可以大致分為兩類：RAM和ROM。關于這兩類存儲器的具體定義和發(fā)展歷程已經有很多總結，這里就不再贅述，只從我個人的角度談一下對這兩類存儲器的理解。

（1）RAM，具體可以分為SRAM和DRAM

共同特點（RAM的根本特點）：可讀可寫、隨機讀寫

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、Flash（NOR Flash和NAND Flash）

共同特點：非易失

區(qū)別：硬盤和NAND Flash都是整塊讀寫、NOR Flash可以隨機讀，但是需要整塊寫。

NOR Flash非易失、隨機讀的特性讓它可以作為系統(tǒng)的啟動介質。

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

4、具體到上面5個問題

（1）具體要看是什么Flash，如果是NOR Flash，那么系統(tǒng)可以直接訪問執(zhí)行。如果是NAND Flash，則需要將代碼加載到RAM中再運行。PC寄存器在CPU中，在CPU上電時由硬件設置一個特定的值（例如：ARM Cortex-M3的PC寄存器上電默認是0x4）。

（2）和第一問一樣，需不需要搬移代碼要看Flash類型。

（3）如果是相同類型的RAM，片內和片外沒有區(qū)別。如果RAM類型不同，就需要具體情況具體分析。

（4）這里假設Flash是1MB，RAM是512KB，猜測應該是NOR Flash和SRAM（例如STM32），則代碼不需要搬移。如果是NAND Flash，一般會和DRAM搭配，容量會大很多，應該假設不成立。

編輯：黃飛

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