详解单片机程序的运行过程

从单片机上知道，在上电的那一刻，MCU的程序指针PC会被初始化为上电复位时的地址，从哪个地址处读取将要执行的指令，由此程序在MCU上开始执行（当然在调用程序的 main之前，还有一系列其他的的初始化要做，如堆栈的初始化，不过这些我们很少回去修改）。PC在上电时，和MCU差不多，不过读取的是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，这样看待是可以的，不过这个裸机程序功能很多，很强大），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。这一点看，它们在流程上是很相似的。

详解单片机程序的运行过程

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。

由此，以前的一些疑惑也就解开了。为什么在单片机上的程序不怎么使用malloc，而PC上经常使用？因为单片机上没有已经写好的内存管理算法的代码，而在PC上操作系统里运行的程序，libc已经把这些都做了，只需要调用就可以了。如果在单片机上想用动态内存，也可以，但是这些代码要自己去实现，并定义一个相应的malloc，有时候一些公司会给提供一些库函数可能会实现malloc，但是因为单片机上RAM内存十分有限，如果不知道它的运行方式，估计会很危险。同样，因为在PC的系统上运行的程序与逻机程序的不同，裸机程序不会有动态链接，有的只是静态链接。

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。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。

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。以后，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。

干货 一文搞懂单片机应用程序架构

对于单片机程序来说，大家都不陌生，但是真正使用架构，考虑架构的恐怕并不多，随着程序开发的不断增多，本人觉得架构是非常必要的。前不就发帖与大家一起讨论了一下怎样架构你的单片机程序，发现真正使用架构的并不都，而且这类书籍基本没有。

本人经过摸索实验并总结，大致应用程序的架构有三种：

1. 简单的前后台顺序执行程序，这类写法是大多数人使用的方法，不需用思考程序的具体架构，直接通过执行顺序编写应用程序即可。

2. 时间片轮询法，此方法是介于顺序执行与操作系统之间的一种方法。

3. 操作系统，此法应该是应用程序编写的最高境界。

下面就分别谈谈这三种方法的利弊和适应范围等。

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顺序执行法：

这种方法，这应用程序比较简单，实时性，并行性要求不太高的情况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候，如果没有一个完整的流程图，恐怕别人很难看懂程序的运行状态，而且随着程序功能的增加，编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护，也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序，刚开始就是使用此法，最终虽然能够实现功能，但是自己的思维一直处于混乱状态。导致程序一直不能让自己满意。

这种方法大多数人都会采用，而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构，程序架构的单片机工程师来说，无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高，也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。

本人建议，如果喜欢使用此法的网友，如果编写比较复杂的应用程序，一定要先理清头脑，设计好完整的流程图再编写程序，否则后果很严重。当然应该程序本身很简单，此法还是一个非常必须的选择。

下面就写一个顺序执行的程序模型，方面和下面两种方法对比：

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时间片轮询法

时间片轮询法，在很多书籍中有提到，而且有很多时候都是与操作系统一起出现，也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下，而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。

对于时间片轮询法，虽然有不少书籍都有介绍，但大多说得并不系统，只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式，并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法，我想将给初学者有一定的借鉴性。

记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》，由于时间的问题，并没有详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。

使用1个定时器，可以是任意的定时器，这里不做特殊说明，下面假设有3个任务，那么我们应该做如下工作：

1. 初始化定时器，这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms，这个和操作系统一样，中断过于频繁效率就低，中断太长，实时性差)。

2. 定义一个数值：

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3. 在定时器中断服务函数中添加：

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代码解释：定时中断服务函数，在中断中逐个判断，如果定时值为0了，表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时，不着处理。否则定时器减一，知道为零时，相应标志位值1，表示此任务的定时值到了。

4. 在我们的应用程序中，在需要的应用定时的地方添加如下代码，下面就以任务1为例：

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到此我们只需要在任务中判断TaskMark[0] 是否为0x01即可。其他任务添加相同，至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试，效果不错哦。

通过上面对1个定时器的复用我们可以看出，在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位，同时也可以去执行其他函数。

循环判断标志位：

那么我们可以想想，如果循环判断标志位，是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢？一个大循环，只是这个延时比普通的for循环精确一些，可以实现精确延时。

执行其他函数：

那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数，充分利用CPU时间，是不是和操作系统有些类似了呢？但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。

时间片轮询法的架构：

1.设计一个结构体：

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这个结构体的设计非常重要，一个用4个参数，注释说的非常详细，这里不在描述。

2. 任务运行标志出来，此函数就相当于中断服务函数，需要在定时器的中断服务函数中调用此函数，这里独立出来，并于移植和理解。

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大家认真对比一下次函数，和上面定时复用的函数是不是一样的呢？

3. 任务处理

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此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了，实现任务的管理操作，应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了，并不需要去分别调用和处理任务函数。

到此，一个时间片轮询应用程序的架构就建好了，大家看看是不是非常简单呢？此架构只需要两个函数，一个结构体，为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。

下面我就就说说怎样应用吧，假设我们有三个任务：时钟显示，按键扫描，和工作状态显示。

1. 定义一个上面定义的那种结构体变量

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在定义变量时，我们已经初始化了值，这些值的初始化，非常重要，跟具体的执行时间优先级等都有关系，这个需要自己掌握。

①大概意思是，我们有三个任务，没1s执行以下时钟显示，因为我们的时钟最小单位是1s，所以在秒变化后才显示一次就够了。

②由于按键在按下时会参数抖动，而我们知道一般按键的抖动大概是20ms，那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms，而这里我们每20ms扫描一次，是非常不错的出来，即达到了消抖的目的，也不会漏掉按键输入。

③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面，我们这里设计每30ms显示一次，如果你觉得反应慢了，你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名，你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。

2. 任务列表

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好好看看，我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值，其他值是没有具体的意义的，只是为了清晰的表面任务的关系而已。

3. 编写任务函数

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现在你就可以根据自己的需要编写任务了。

4. 主函数

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到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了，你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊，有没有点操作系统的感觉在里面？

不防试试把，看看任务之间是不是相互并不干扰？并行运行呢？当然重要的是，还需要，注意任务之间进行数据传递时，需要采用全局变量，除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间，在编写任务时，尽量让任务尽快执行完成。

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操作系统：

操作系统的本身是一个比较复杂的东西，任务的管理，执行本事并不需要我们去了解。但是光是移植都是一件非常困难的是，虽然有人说过“你如果使用过系统，将不会在去使用前后台程序”。但是真正能使用操作系统的人并不多，不仅是因为系统的使用本身很复杂，而且还需要购买许可证（ucos也不例外，如果商用的话）。

这里本人并不想过多的介绍操作系统本身，因为不是一两句话能过说明白的，下面列出UCOS下编写应该程序的模型。大家可以对比一下，这三种方式下的各自的优缺点。

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不难看出，时间片轮询法优势还是比较大的，即由顺序执行法的优点，也有操作系统的优点。结构清晰，简单，非常容易理解。

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