详解单片机里的程序运行方式

1万 · 2023-2-14 09:09

我们想要理解单片机是如何运行程序的，我们首先需要了解单片机的组成，我们这里以80C51单片机为例来理解程序在单片机中是如何运行的。

单片机的组成

8051单片机的内部硬件结构包括：

中央处理器CPU：它是单片机内部的核心部件，决定了单片机的主要功能特性，由运算器和控制器两大部分组成。
存储器：8051单片机在系统结构上采用了哈佛型，将程序和数据分别存放在两个存储器内，一个称为程序存储器，另一个为数据存储器在物理结构上分程序存储器和数据存储器，有四个物理上相互独立的存储空间，即片内ROM和片外ROM，片内RAM和片外RAM。
定时器／计数器（T／C）：8051单片机内有两个16位的定时器／计数器，每个T／C既可以设置成计数方式，也可以设置成定时方式，并以其定时计数结果对计算机进行控制。
并行I／O口：8051有四个8位并行I／O接口（P0～P3），以实现数据的并行输入输出。
串行口：8051单片机有一个全双工的串行口，可实现单片机和单片机或其他设备间的串行通信。
中断控制系统：8051共有5个中断源，非为高级和低级两个级别它可以接收外部中断申请、定时器／计数器申请和串行口申请，常用于实时控制、故障自动处理、计算机与外设间传送数据及人机对话等。

单片机启动过程

单片机的启动过程是加电后，先运行芯片内部固有程序（这个程序是用户访问不到也改写不了的），即启动代码。启动代码程序建立完运行环境后，会去读串口状态，就是用户下载程序用到的各个端口，判断用户是否正在使用端口准备下载程序。

如果是，就按用户要求，把用户程序下载到指定地址上。如果不是，就跳转到已经下载过的用户程序入口，从而把芯片控制权交给用户程序。如果是新的芯片还没有下载过，那么就停留在读取串口状态的循环中。

启动代码通常都烧写在flash中，它是系统一上电就执行的一段程序，它运行在任何用户C代码之前。上电后，arm处理器处于arm态，运行于管理模式，同时系统所有中断被禁止，PC到地址0处取指令执行。

一个可执行映像文件必须有个入口点，而能放在rom起始处的映像文件的入口地址也必须设置为0。在汇编语言中，可以自行定义定义一个程序的入口点，当工程中有多个入口点时，需要在连接器中使用-entry指出程序的入口点。

如果用户创建的程序中，包含了main函数，则与C库初始化代码对应的也会有个入口点。总的来说，启动代码主要完成两方面的工作，一是初始化执行环境，例如中断向量表、堆栈、I/O等；二是初始化c库和用户应用程序。

在第一阶段，启动代码的过程可以描述为：

建立中断向量表；
初始化存储器；
初始化堆栈寄存器；
初始化i/o以及其他必要的设备；
根据需要改变处理器的状态。

PC电脑这些带系统的设备在上电时，和单片机处理过程差不多，只不过他们是读取的BIOS，有它完成了很多初始化操作，最后，调用系统的初始化函数，将控制权交给了操作系统，于是我们看到了Windows，Linux系统启动了。

如果将操作系统看作是在处理器上跑的一个很大的裸机程序(就是直接在硬件上跑的程序，因为操作系统就是直接跑在CPU上的)，那么操作系统的启动很像MCU程序的启动。前者有一个很大的初始化程序完成很复杂的初始化，后者有一段不长的汇编代码完成一些简单的初始化。

如果是系统上的程序启动呢?它们是由系统来决定的，Linux上在shell下输入./p后，首先检查是否是一个内建的shell命令；如果不是，则shell假设他是一个可执行文件(Linux上一般是elf格式)，然后调用一些相关的函数，将在硬盘上的p文件的内容拷贝到内存(DDR RAM)中，并建立一个它的运行环境(当然这里边还有内存映射，虚拟内存，连接与加载，等一些其他东西)，准备执行。

由以上可知，单片机上的程序和平时在系统上运行的程序，在启动时差异是很大的，如果将程序调用main以前的动作，都抽象为初始化的话，程序的启动可以简化为：建立运行环境+调用main函数，这样程序的执行差异是不大的。

因为单片机上跑的程序(裸机程序)，是和操作系统一样跑在硬件上的，它们属于一个层次的。过去之所以没有区分出单片机上的程序和PC机上的程序的一些差异，就是没有弄明白这一点。

1万 · 2023-2-14 09:10

本帖最后由 cr315 于 2023-2-14 09:16 编辑

程序的执行

关于程序在执行时，从哪里读取指令，哪里读取数据，也曾因为没有弄清楚系统上的程序和裸机程序之间的区别，而疑惑了很久。

单片机中一个程序的运行过程分为取指令，分析指令和执行指令几个步骤。

取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。
分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。
计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。

虽然在《微型计算机原理》课上知道程序运行时，从内存中读取指令和数据进行执行和回写。但是单片机上只有几K的RAM，而flash一般有几十K甚至1M，这个时候指令和数据都在内存中吗？

这里指的内存仅指RAM，因为PC上我们常说的内存就是DDR RAM memory，先入为主以至于认为单片机上也是这样，还没有明白其实RAM和Flash都是内存。

这不可能，因为课上老师只说内存，但是PC上内存一般就是DDR RAM，不会是硬盘，硬盘是保存数据的地方；由此类比时，自己把自己弄晕菜了，单片机的RAM对应于DDR RAM，那Flash是不是就对应于硬盘了呢?在CSAPP上明白了，PC上之所以都在DDR RAM上，是速度的因素。

硬盘的速度太慢，即使是即将到来的SSD比起DDRRAM，还是差着几个数量级，所以拷贝到DDRRAM中。这时，一个程序的代码和数据是连续存放的，其中代码段是只读区域，数据段是可读写区域(这是由操作系统的内存管理机制决定的)。

运行时，再将它们拷贝到速度更快的SRAM中，以得到更快的执行速度。而对于，单片机而言工作频率也就几M，几十M，从Flash中与从RAM中读的差异可能并不明显，不会成为程序执行的瓶颈(而对于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，于是再提高工作频率也提高不了程序的执行速度，所以现在CPU工作频率最快是在2003左右，一个瓶颈出现了。

举个例子

开机时，程序计算器PC变为0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令(取出存储器中事先存放的指令阶段)和执行指令(分析和执行指令)的循环过程。

例如执行指令：MOV A,#0E0H，其机器码为74H E0H，该指令的功能是把操作数E0H送入累加器，0000H单元中已存放74H，0001H单元中已存放E0H。当单片机开始运行时，首先是进入取指阶段，其次序是：

程序计数器的内容(这时是0000H)送到地址寄存器;
程序计数器的内容自动加1(变为0001H);
地址寄存器的内容(0000H)通过内部地址总线送到存储器，以存储器中地址译码电跟，使地址为0000H的单元被选中;
CPU使读控制线有效;
在读命令控制下被选中存储器单元的内容(此时应为74H)送到内部数据总线上，因为是取指阶段，所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。

多线程执行程序

为了提高CPU的使用率，换个角度想一下，既然不能减少一段程序的执行时间，就在同样的时间执行更多的程序，一个核执行一段程序，两个核就可以执行两段程序，于是多核CPU成为了现在的主流)。

所以裸机程序指令就在Flash(Flash memory)中存放，而数据就放在了RAM中(flash的写入次数有限制，同时它的速度和RAM还是差很多)。更广泛说，在单片机上RAM存放data段，bss段，堆栈段;ROM(EPROM，EEPROM，Flash等非易失性存储设备)存放代码，只读数据段。

本质上说，这和PC上程序都在RAM中存放是一样的，PC 上是操作系统规定了可读与可写，而单片机上是依靠不同的存储设备区分了可读与可写(当然现在的Flash是可读写的，如果Flash没有写入次数限制，速度又可以和RAM相差不多，单片机上是不是只要Flash就可以了呢(直接相当于PC上的DDRRAM)?这样成本也会比一个RAM，一个Flash低，更节省成本，对于生产商更划算)。

数据的存放与读取

对于单片机的程序执行时指令和数据的存放与读取，理解如下：

对单片机编程后，程序的代码段，data段，bss段，rodata段等都存放在Flash中。当单片机上电后，初始化汇编代码将data段，bss段，复制到RAM中，并建立好堆栈，开始调用程序的main函数。

之后，便有了程序存储器，和数据存储器之分，运行时从Flash(即指令存储器，代码存储器)中读取指令，从RAM中读取与写入数据。RAM存在的意义就在于速度更快。

无论是单片机也好，PC也罢，存在的存储器金字塔都是一致的，速度的因素，成本的限制导致了一级级更快的存储器的更快速度与更高的成本。应该说，对于它们的理解，就是存储器金字塔的理解。