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單片機(jī)如何執(zhí)行代碼命令,單片MCU內(nèi)存如何分配?

發(fā)布時(shí)間:2017-06-30 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】單片機(jī)執(zhí)行程序的過(guò)程,實(shí)際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過(guò)程。即逐條指令的過(guò)程。計(jì)算機(jī)每執(zhí)行一條指令都可分為三個(gè)階段進(jìn)行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。
   
單片機(jī)執(zhí)行指令過(guò)程詳解
 
取指令的任務(wù)是:根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值從程序存儲(chǔ)器讀出現(xiàn)行指令,送到指令寄存器。
 
分析指令階段的任務(wù)是:將指令寄存器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼,分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù),則尋找操作數(shù)地址。
 
計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過(guò)程實(shí)際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過(guò)程,直至遇到停機(jī)指令可循環(huán)等待指令。
 
一般計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作時(shí),首先要通過(guò)外部設(shè)備把程序和數(shù)據(jù)通過(guò)輸入接口電路和數(shù)據(jù)總線送入到存儲(chǔ)器,然后逐條取出執(zhí)行。但單片機(jī)中的程序一般事先我們都已通過(guò)寫(xiě)入器固化在片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器中。因而一開(kāi)機(jī)即可執(zhí)行指令。
 
下面我們將舉個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明指令的執(zhí)行過(guò)程:
 
 
開(kāi)機(jī)時(shí),程序計(jì)算器PC變?yōu)?000H。然后單片機(jī)在時(shí)序電路作用下自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行程序過(guò)程。執(zhí)行過(guò)程實(shí)際上就是取出指令(取出存儲(chǔ)器中事先存放的指令階段)和執(zhí)行指令(分析和執(zhí)行指令)的循環(huán)過(guò)程。
 
例如執(zhí)行指令:MOV A,#0E0H,其機(jī)器碼為“74H E0H”,該指令的功能是把操作數(shù)E0H送入累加器,0000H單元中已存放74H,0001H單元中已存放E0H。當(dāng)單片機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí),首先是進(jìn)入取指階段,其次序是:
 
1.程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容(這時(shí)是0000H)送到地址寄存器;
2.程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容自動(dòng)加1(變?yōu)?001H);
3.地址寄存器的內(nèi)容(0000H)通過(guò)內(nèi)部地址總線送到存儲(chǔ)器,以存儲(chǔ)器中地址譯碼電跟,使地址為0000H的單元被選中;
4.CPU使讀控制線有效;
5.在讀命令控制下被選中存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容(此時(shí)應(yīng)為74H)送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上,因?yàn)槭侨≈鸽A段,所以該內(nèi)容通過(guò)數(shù)據(jù)總線被送到指令寄存器。
  
至此,取指階段完成,進(jìn)入譯碼分析和執(zhí)行指令階段。
 
由于本次進(jìn)入指令寄存器中的內(nèi)容是74H(操作碼),以譯碼器譯碼后單片機(jī)就會(huì)知道該指令是要將一個(gè)數(shù)送到A累加器,而該數(shù)是在這個(gè)代碼的下一個(gè)存儲(chǔ)單元。所以,執(zhí)行該指令還必須把數(shù)據(jù)(E0H)從存儲(chǔ)器中取出送到CPU,即還要在存儲(chǔ)器中取第二個(gè)字節(jié)。其過(guò)程與取指階段很相似,只是此時(shí)PC已為0001H。指令譯碼器結(jié)合時(shí)序部件,產(chǎn)生74H操作碼的微操作系列,使數(shù)字E0H從0001H單元取出。
 
因?yàn)橹噶钍且蟀讶〉玫臄?shù)送到A累加器,所以取出的數(shù)字經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進(jìn)入A累加器,而不是進(jìn)入指令寄存器。至此,一條指令的執(zhí)行完畢。單片機(jī)中PC=0002H,PC在CPU每次向存儲(chǔ)器取指或取數(shù)時(shí)自動(dòng)加1,單片機(jī)又進(jìn)入下一取指階段。這一過(guò)程一直重復(fù)下去,直至收到暫停指令或循環(huán)等待指令暫停。CPU就是這樣一條一條地執(zhí)行指令,完成所有規(guī)定的功能。
 
對(duì)于一款mcu來(lái)說(shuō),在性能描述的時(shí)候都會(huì)告訴sram,flash的容量大小,對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō),也不會(huì)去考慮和理會(huì)這些東西,拿到東西就只用。其實(shí)不然,這些量都是十分重要的,仔細(xì)想想,代碼為什么可以運(yùn)行,代碼量是多少,定義的int、short等等類(lèi)型的變量究竟是怎么分配和存儲(chǔ)的,這些問(wèn)題都和內(nèi)寸有關(guān)系。
 
首先單片機(jī)的內(nèi)存可以大小分為ram和rom,這里就不再解釋ram和rom的區(qū)別了,我們可以將其等效為flash和sram,其中根據(jù)flash和sram的定義可得,flash里面的數(shù)據(jù)掉電可保存,sram中的并不可以,但是sram的執(zhí)行速度要快于flash,可以將單片機(jī)的程序分為code(代碼存儲(chǔ)區(qū))、RO-data(只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū))、RW-data(讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū))和ZI-data(零初始化數(shù)據(jù)區(qū))。在MDK編譯器下可以觀察到在代碼中這4個(gè)量的值,如下圖1所示:
 
圖1:
 
 
其中code和RO-data存儲(chǔ)在flash中,所以兩者之和為單片機(jī)中flash需要分配給它們的空間大?。ú⑶业扔诖a所生成的.bin文件大?。硗釸W-data和ZI-data存儲(chǔ)在sram中,同樣兩者之和為單片機(jī)中sram需要分配給它們的空間大小。
 
另外,我們必然會(huì)想到棧區(qū)(stack)、堆區(qū)(heap)、全局區(qū)(靜態(tài)區(qū))(staTIc)、文字常量區(qū)和程序代碼區(qū)和上面所介紹的code、RO-data等的關(guān)系。
 
 
1、棧區(qū)(stack):由編譯器自動(dòng)分配釋放 ,存放函數(shù)的參數(shù)值,局部變量的值等。其操作方式類(lèi)似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。 這些值是可讀寫(xiě)的,那么stack應(yīng)該被包含在RW-data(讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)),也就是單片機(jī)的sram中。
  
2、堆區(qū)(heap):一般由程序員分配釋放, 若程序員不釋放,程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收 ??梢岳斫?,這些也是被包含在單片機(jī)的sram中的。
  
3、全局區(qū)(靜態(tài)區(qū))(staTIc):全局變量和靜態(tài)變量的存儲(chǔ)是放在一塊的,初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域, 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域,程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。這些數(shù)據(jù)也是可讀可寫(xiě)的,和stack、heap一樣,被包含在sram中。
  
4、文字常量區(qū):常量字符串就是放在這里的。這些數(shù)據(jù)是只讀的,分配在RO-data(只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)),則被包含在flash中。
  
5、程序代碼區(qū):存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼,可以想象也是被包含在flash,因?yàn)閷?duì)于MCU來(lái)說(shuō),當(dāng)其重新上電,代碼還會(huì)繼續(xù)運(yùn)行,并不會(huì)消失,所以存儲(chǔ)在flash中。
  
綜上所述,MCU的內(nèi)存分配基本如此,其中并沒(méi)有提到存儲(chǔ)空間所對(duì)應(yīng)的flash和sram地址。
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