1
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。
8051单片机的内部硬件结构包括:
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:
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。
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。
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。
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:
0000H
)送到地址寄存器;0001H
);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;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)。
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。
关于单片机程序的执行过程就给大家分享到这里,相信大家读了这篇文章后肯定会有一定的收获,如果这篇文章让你对程序的运行更深的理解,记得一键三连哦!
全部0条评论
快来发表一下你的评论吧 !