關于單片機程序的執行過程

前言

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

單片機的組成

8051單片機的內部硬件結構包括：

中央處理器 CPU：它是單片機內部的核心部件，決定了單片機的主要功能特性，由運算器和控制器兩大部分組成。

存儲器：8051單片機在系統結構上采用了哈佛型，將程序和數據分別存放在兩個存儲器內，一個稱為程序存儲器，另一個為數據存儲器在物理結構上分程序存儲器和數據存儲器，有四個物理上相互獨立的存儲空間，即片內ROM和片外ROM，片內RAM和片外RAM。

定時器／計數器（T／C）：8051單片機內有兩個16位的定時器／計數器，每個T／C既可以設置成計數方式，也可以設置成定時方式，并以其定時計數結果對計算機進行控制。

并行I／O口：8051有四個8位并行I／O接口（P0～P3），以實現數據的并行輸入輸出。

串行口：8051單片機有一個全雙工的串行口，可實現單片機和單片機或其他設備間的串行通信。

中斷控制系統：8051共有5個中斷源，非為高級和低級兩個級別它可以接收外部中斷申請、定時器／計數器申請和串行口申請，常用于實時控制、故障自動處理、計算機與外設間傳送數據及人機對話等。

單片機啟動過程

單片機的啟動過程是加電后，先運行芯片內部固有程序（這個程序是用戶訪問不到也改寫不了的），即啟動代碼。啟動代碼程序建立完運行環境后，會去讀串口狀態，就是用戶下載程序用到的各個端口，判斷用戶是否正在使用端口準備下載程序。

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，就跳轉到已經下載過的用戶程序入口，從而把芯片控制權交給用戶程序。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的循環中。

啟動代碼通常都燒寫在flash中，它是系統一上電就執行的一段程序，它運行在任何用戶C代碼之前。上電后，arm處理器處于arm態，運行于管理模式，同時系統所有中斷被禁止，PC到地址0處取指令執行。

一個可執行映像文件必須有個入口點，而能放在rom起始處的映像文件的入口地址也必須設置為0。在匯編語言中，可以自行定義定義一個程序的入口點，當工程中有多個入口點時，需要在連接器中使用-entry指出程序的入口點。

如果用戶創建的程序中，包含了main函數，則與C庫初始化代碼對應的也會有個入口點。總的來說，啟動代碼主要完成兩方面的工作，一是初始化執行環境，例如中斷向量表、堆棧、I/O等；二是初始化c庫和用戶應用程序。

在第一階段，啟動代碼的過程可以描述為：

建立中斷向量表；

初始化存儲器；

初始化堆棧寄存器；

初始化i/o以及其他必要的設備；

根據需要改變處理器的狀態。

PC電腦這些帶系統的設備在上電時，和單片機處理過程差不多，只不過他們是讀取的BIOS，有它完成了很多初始化操作，最后，調用系統的初始化函數，將控制權交給了操作系統，于是我們看到了Windows，Linux系統啟動了。

如果將操作系統看作是在處理器上跑的一個很大的裸機程序(就是直接在硬件上跑的程序，因為操作系統就是直接跑在CPU上的)，那么操作系統的啟動很像MCU程序的啟動。前者有一個很大的初始化程序完成很復雜的初始化，后者有一段不長的匯編代碼完成一些簡單的初始化。

如果是系統上的程序啟動呢?它們是由系統來決定的，Linux上在shell下輸入./p后，首先檢查是否是一個內建的shell命令；如果不是，則shell假設他是一個可執行文件(Linux上一般是elf格式)，然后調用一些相關的函數，將在硬盤上的p文件的內容拷貝到內存(DDR RAM)中，并建立一個它的運行環境(當然這里邊還有內存映射，虛擬內存，連接與加載，等一些其他東西)，準備執行。

由以上可知，單片機上的程序和平時在系統上運行的程序，在啟動時差異是很大的，如果將程序調用main以前的動作，都抽象為初始化的話，程序的啟動可以簡化為：建立運行環境+調用main函數，這樣程序的執行差異是不大的。

因為單片機上跑的程序(裸機程序)，是和操作系統一樣跑在硬件上的，它們屬于一個層次的。過去之所以沒有區分出單片機上的程序和PC機上的程序的一些差異，就是沒有弄明白這一點。

程序的執行

關于程序在執行時，從哪里讀取指令，哪里讀取數據，也曾因為沒有弄清楚系統上的程序和裸機程序之間的區別，而疑惑了很久。

單片機中一個程序的運行過程分為取指令，分析指令和執行指令幾個步驟。

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。

雖然在《微型計算機原理》課上知道程序運行時，從內存中讀取指令和數據進行執行和回寫。但是單片機上只有幾K的RAM，而flash一般有幾十K甚至1M，這個時候指令和數據都在內存中嗎？

這里指的內存僅指RAM，因為PC上我們常說的內存就是DDR RAM memory，先入為主以至于認為單片機上也是這樣，還沒有明白其實RAM和Flash都是內存。

這不可能，因為課上老師只說內存，但是PC上內存一般就是DDR RAM，不會是硬盤，硬盤是保存數據的地方；由此類比時，自己把自己弄暈菜了，單片機的RAM對應于DDR RAM，那Flash是不是就對應于硬盤了呢?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，還是差著幾個數量級，所以拷貝到DDRRAM中。這時，一個程序的代碼和數據是連續存放的，其中代碼段是只讀區域，數據段是可讀寫區域(這是由操作系統的內存管理機制決定的)。

運行時，再將它們拷貝到速度更快的SRAM中，以得到更快的執行速度。而對于，單片機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，不會成為程序執行的瓶頸(而對于PC而言，Flash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行速度，所以現在CPU工作頻率最快是在2003左右，一個瓶頸出現了。

舉個例子

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：

程序計數器的內容(這時是0000H)送到地址寄存器;

程序計數器的內容自動加1(變為0001H);

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;

CPU使讀控制線有效;

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。

多線程執行程序

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

所以裸機程序指令就在Flash(Flash memory)中存放，而數據就放在了RAM中(flash的寫入次數有限制，同時它的速度和RAM還是差很多)。更廣泛說，在單片機上RAM存放data段，bss段，堆棧段;ROM(EPROM，EEPROM，Flash等非易失性存儲設備)存放代碼，只讀數據段。

本質上說，這和PC上程序都在RAM中存放是一樣的，PC 上是操作系統規定了可讀與可寫，而單片機上是依靠不同的存儲設備區分了可讀與可寫(當然現在的Flash是可讀寫的，如果Flash沒有寫入次數限制，速度又可以和RAM相差不多，單片機上是不是只要Flash就可以了呢(直接相當于PC上的DDRRAM)?這樣成本也會比一個RAM，一個Flash低，更節省成本，對于生產商更劃算)。

數據的存放與讀取

對于單片機的程序執行時指令和數據的存放與讀取，理解如下：

對單片機編程后，程序的代碼段，data段，bss段，rodata段等都存放在Flash中。當單片機上電后，初始化匯編代碼將data段，bss段，復制到RAM中，并建立好堆棧，開始調用程序的main函數。

之后，便有了程序存儲器，和數據存儲器之分，運行時從Flash(即指令存儲器，代碼存儲器)中讀取指令，從RAM中讀取與寫入數據。RAM存在的意義就在于速度更快。

無論是單片機也好，PC也罷，存在的存儲器金字塔都是一致的，速度的因素，成本的限制導致了一級級更快的存儲器的更快速度與更高的成本。應該說，對于它們的理解，就是存儲器金字塔的理解。