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单片机里的程序是如何运行?

汽车电子技术 来源:嵌入式悦翔园 作者: JamesBin 2023-02-17 10:47 次阅读

前言

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。

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74H0001H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:

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。图片

结语

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!

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