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單片機(jī)達(dá)人解密:指令數(shù)據(jù)寫哪了?

發(fā)布時(shí)間:2015-01-23 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】單片機(jī)的運(yùn)行需要執(zhí)行程序,同時(shí)硬件也是必不可少的,二者缺一不可。大家都知道單片機(jī)的運(yùn)行需要執(zhí)行寫好的程序,但是單片機(jī)的指令數(shù)據(jù)都被寫在了哪里?在哪讀取指令?單片機(jī)達(dá)人給你解答技術(shù)難題。

讓我們從最開(kāi)始的環(huán)節(jié)講起。在單片機(jī)上電的瞬間,MCU的程序指針PC會(huì)被初始化為上電復(fù)位時(shí)的地址,從哪個(gè)地址處讀取將要執(zhí)行的指令,由此程序在MCU上開(kāi)始執(zhí)行(當(dāng)然在調(diào)用程序的main之前,還有一系列其他的的初始化要做,如堆棧的初始化,不過(guò)這些很少回去修改)。PC在上電時(shí),和MCU差不多,不過(guò)讀取的是BIOS,有它完成了很多初始化操作,最后,調(diào)用系統(tǒng)的初始化函數(shù),將控制權(quán)交給了操作系統(tǒng),于是我們看到了Windows、Linux系統(tǒng)啟動(dòng)了。

如果將操作系統(tǒng)看作是在處理器上奔跑的一個(gè)大裸機(jī)程序(就是直接在硬件上跑的程序,因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)就是直接跑在CPU上的,這樣看待是可以的,不過(guò)這個(gè)裸機(jī)程序功能很多,很強(qiáng)大),那么操作系統(tǒng)的啟動(dòng)很像MCU程序的啟動(dòng)。前者有一個(gè)很大的初始化程序完成很復(fù)雜的初始化,后者有一段不長(zhǎng)的匯編代碼完成一些簡(jiǎn)單的初始化。這一點(diǎn)看,它們?cè)诹鞒躺鲜呛芟嗨频摹?br />
如果是系統(tǒng)上的程序啟動(dòng)呢?它們是由系統(tǒng)來(lái)決定的。Linux上在shell下輸入./p后,首先檢查是否是一個(gè)內(nèi)建的shell命令;如果不是,則shell假設(shè)它是一個(gè)可執(zhí)行文件(Linux上一般是elf格式),然后調(diào)用一些相關(guān)的函數(shù),將在硬盤上的p文件的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存(DDR RAM)中,并建立一個(gè)它的運(yùn)行環(huán)境(當(dāng)然這里邊還有內(nèi)存映射,虛擬內(nèi)存,連接與加載,等一些其他東西),準(zhǔn)備執(zhí)行。

由以上可知,單片機(jī)上的程序和平時(shí)在系統(tǒng)上運(yùn)行的程序相比,在啟動(dòng)時(shí)差異是很大的(如果將程序調(diào)用main以前的動(dòng)作,都抽象為初始化的話,程序的啟動(dòng)可以簡(jiǎn)化為:建立運(yùn)行環(huán)境+調(diào)用main函數(shù),這樣程序的執(zhí)行差異是不大的)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)上跑的程序(裸機(jī)程序),是和操作系統(tǒng)一樣跑在硬件上的,它們屬于一個(gè)層次的。過(guò)去之所以沒(méi)有區(qū)分出單片機(jī)上的程序和PC機(jī)上的程序的一些差異,就是沒(méi)有弄明白這一點(diǎn)。

由此,以前的一些疑惑也就解開(kāi)了。為什么在單片機(jī)上的程序不怎么使用malloc,而PC上經(jīng)常使用?因?yàn)閱纹瑱C(jī)上沒(méi)有已經(jīng)寫好的內(nèi)存管理算法代碼,而在PC上操作系統(tǒng)里運(yùn)行的程序,libc已經(jīng)把這些都做了,只需要調(diào)用就可以了。如果在單片機(jī)上想用動(dòng)態(tài)內(nèi)存,也可以,但是這些代碼要自己去實(shí)現(xiàn),并定義一個(gè)相應(yīng)的malloc,有時(shí)候一些公司會(huì)提供一些庫(kù)函數(shù)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)malloc,但是因?yàn)閱纹瑱C(jī)上RAM內(nèi)存十分有限,如果不知道它的運(yùn)行方式,估計(jì)會(huì)很危險(xiǎn)。同樣,因?yàn)樵赑C的系統(tǒng)上運(yùn)行的程序與邏機(jī)程序的不同,裸機(jī)程序不會(huì)有動(dòng)態(tài)鏈接,有的只是靜態(tài)鏈接。

關(guān)于程序在執(zhí)行時(shí),從哪里讀取指令,哪里讀取數(shù)據(jù),也曾因?yàn)闆](méi)有弄清楚系統(tǒng)上的程序和裸機(jī)程序之間的區(qū)別,而疑惑了很久。雖然在《微型計(jì)算機(jī)原理》課上知道程序運(yùn)行時(shí),從內(nèi)存中讀取指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行和回寫。但是單片機(jī)上只有幾K的RAM,而flash一般有幾十K甚至1M,這個(gè)時(shí)候指令和數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中嗎(這里指的內(nèi)存僅指RAM,因?yàn)镻C上我們常說(shuō)的內(nèi)存就是DDR RAM memory,先入為主以至于認(rèn)為單片機(jī)上也是這樣,還沒(méi)有明白其實(shí)RAM和Flash都是內(nèi)存)?

這不可能,因?yàn)檎n上老師只說(shuō)內(nèi)存,但是PC上內(nèi)存一般就是DDR RAM,不會(huì)是硬盤,硬盤是保存數(shù)據(jù)的地方;由此類比時(shí),容易把自己弄糊涂,單片機(jī)的RAM對(duì)應(yīng)于DDR RAM,那Flash是不是就對(duì)應(yīng)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(lái)的SSD比起DDRRAM,還是差著幾個(gè)數(shù)量級(jí),所以拷貝到DDRRAM中。這時(shí),一個(gè)程序的代碼和數(shù)據(jù)是連續(xù)存放的,其中代碼段是只讀區(qū)域,數(shù)據(jù)段是可讀寫區(qū)域(這是由操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制決定的)。

運(yùn)行時(shí),再將它們拷貝到速度更快的SRAM中,以得到更快的執(zhí)行速度。而對(duì)于,單片機(jī)而言工作頻率也就幾M或者幾十M,從Flash中與從RAM中讀的差異可能并不明顯,不會(huì)成為程序執(zhí)行的瓶頸(而對(duì)于PC而言,F(xiàn)lash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(zhí)行速度,所以現(xiàn)在CPU工作頻率最快是在2003左右。一個(gè)瓶頸出現(xiàn)了。為了提高CPU的使用率,換個(gè)角度想一下,既然不能減少一段程序的執(zhí)行時(shí)間,就在同樣的時(shí)間執(zhí)行更多的程序,一個(gè)核執(zhí)行一段程序,兩個(gè)核就可以執(zhí)行兩段程序,于是多核CPU成為了現(xiàn)在的主流)。

所以裸機(jī)程序指令就在Flash(Flash memory)中存放,而數(shù)據(jù)就放在了RAM中(flash的寫入次數(shù)有限制,同時(shí)它的速度和RAM還是差很多)。更廣泛說(shuō),在單片機(jī)上RAM存放data段、bss段、堆棧段;ROM(EPROM、EEPROM、Flash等非易失性存儲(chǔ)設(shè)備)存放代碼,只讀數(shù)據(jù)段。本質(zhì)上說(shuō),這和PC上程序都在RAM中存放是一樣的,PC 上是操作系統(tǒng)規(guī)定了可讀與可寫,而單片機(jī)上是依靠不同的存儲(chǔ)設(shè)備區(qū)分了可讀與可寫。當(dāng)然現(xiàn)在的Flash是可讀寫的,如果Flash沒(méi)有寫入次數(shù)限制,速度又可以和RAM相差不多,單片機(jī)上是不是只要Flash就可以了呢(直接相當(dāng)于PC上的DDRRAM)?這樣成本也會(huì)比一個(gè)RAM,一個(gè)Flash低,更節(jié)省成本,對(duì)于生產(chǎn)商更劃算。

對(duì)于單片機(jī)的程序執(zhí)行時(shí)指令和數(shù)據(jù)的存放與讀取,理解如下:

對(duì)單片機(jī)編程后,程序的代碼段、data段、bss段、rodata段等都存放在Flash中。當(dāng)單片機(jī)上電后,初始化匯編代碼將data段、bss段、復(fù)制到RAM中,并建立好堆棧,開(kāi)始調(diào)用程序的main函數(shù)。以后,便有了程序存儲(chǔ)器,和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之分,運(yùn)行時(shí)從Flash(即指令存儲(chǔ)器,代碼存儲(chǔ)器)中讀取指令 ,從RAM中讀取與寫入數(shù)據(jù)。RAM存在的意義就在于速度更快。

無(wú)論是單片機(jī)也好,PC也罷,存在的存儲(chǔ)器金字塔都是一致的,速度的因素,成本的限制導(dǎo)致了一級(jí)級(jí)更快的存儲(chǔ)器的更快速度與更高的成本。應(yīng)該說(shuō),對(duì)于它們的理解,就是存儲(chǔ)器金字塔的理解。

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