单片机程序是如何执行的指令数据写哪了

单片机的运行需要执行程序，同时硬件也是必不可少的，二者缺一不可。大家都知道单片机的运行需要执行写好的程序，但是单片机的指令数据都被写在了哪里?在哪读取指令?

让我们从最开始的环节讲起。在单片机上电的瞬间，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奔跑的一个大裸机程序(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。

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假设它是一个可执行文件(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相比，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，容易把自己弄糊涂，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或者几十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。

宇凡微详解：51单片机程序执行流程

今天宇凡微为大家分享的内容是51单片机程序执行流程 ，在我们的学习过程中总是会遇到一些难题，我们宇凡微将为大家整理更多的知识点，供大家学习参考。

51单片机程序执行流程

单片机是没有上操作系统的东西，在keil中编写的代码都是裸机代码，深入编写裸机代码有助于了解硬件的特性。

若不是硬件特性已定的情况之下的其它流程都是代码作祟。忽然想到来探探51单片机的执行流程。这个念头起源于最初见到每个51程序里面的主函数里面最终都挂一个while(1);语句。为何要加一句while死循环让程序停留在main函数中呢。将while(1);语句去掉有什么影响么?

写一个很简单的程序试一下。

执行以上程序，由P1端口控制的流水灯闪了一下。程序最终进入while(1);里纠缠去了，这个到好解释。

现将while(1);语句屏蔽掉。我还以为程序不能被正确执行了呢，因为退出了main主函数，就像Render需要循环来实现一样(尽管刚刚闪灯的程序不在循环之内，但我还是不由产生了这一错觉)。程序执行的结果是：流水灯不停地闪烁!

看到这个现象后的猜想及动作：

1、这块板坏了吧!(在带操作系统如linux字符界面下运行一个不带死循环的C语言文件完毕后就会返回到linux shell程序中)。赶紧换个板再测试一下，显然还是一样的结果；

2、单片机中将一直执行main函数中的最后一个(些)语句?(基于带OS平台下运行标准C语言文件的经验，可从来没有想过是main函数被多次调用或多次进入)；

3、单片机内将C语言指令取出来加载到单片机内，单片机内自动生成一个主程序循环执行C语言中main函数的内容?(虽然很荒唐，还是想了)；

4、赶快谷歌百度一下单片机的执行流程(虽然在谷歌百度时以“51单片机程序执行流程”搜索，没有搜到相关内容)。换朴实的搜索词：“51单片机 main”。然后就出现跟我一样带有疑问的问题：为什么main函数中不加while(1);语句之后程序会反复执行呢?回答的关键词包括“程序跑飞、看门狗、复位”；

5、趁上嵌入式的机会将“51单片机程序执行流程”搬出来并向老师讲述了我所写程序的得到的现象，包括我怎么验证呀等等。

老师的回答：Keil C51程序自动加载了一个名为”STARTUP.A51”的文件，在这个文件里面进行了一系列的初始化操作后进入用户编写的C语言程序入口main函数中，main函数执行完毕后，STARTUP.A51文件后有一句跳转到程序入口main函数的语句，所以会再次进入C语言主程序main函数中执行相关内容。

然后我用keil软件模拟了运行一下以上那一段代码：

程序开始运行就在程序入口main函数的第一条语句之处，Disassembly窗口是c语言代码与汇编代码相对应的窗口，前面是地址，后面的是C语言对应的汇编语句。下面的窗口是相应文件的运行代码的位置，由黄色箭头指向当前正要执行的代码。然后点击单步运行工具条，直到跳出main函数为止，程序跳转到STARTUP.A51中的以下代码位置：

继续点击单步调试直到进入一个循环中：

这里是一个循环，根据DJNZ指令的功能：每执行一次DJNZ RO, IDATALOOP就将R0的值减1，若R0的值不为0则就跳到IDATALOOP地址去。很显然这是一个循环，那么RO的值是多少呢，在以下窗口显示：

可见r0的初值为0x7f，这里将要循环0x7f(128)次，具体在这里r0值的含义可查看一下子的。那么在这个循环之后程序又将去哪里呢?跳过这个循环后程序运行的地方如下：

再单步运行一次：

根据Disassembly的内容，此条语句执行了就又要回到main函数中去了，执行一下试试：

所以，在51单片机中，程序的执行流程就是会不断( 以r0的值作为延迟条件， 具体含义可继续探索 )的进入main函数中执行main函数中的代码。

为什么我们在linux等上面运行不带死循环的C语言代码后程序就会自行终止呢?这是不同的操作流程：

1、C51单片机不带OS(操作系统)，代码的执行形势在此看来就由STARTUP.A51来安排了，没有一个更大的程序来管理怎么调用main函数。

2、像Linux这类的平台是带了OS的，运行一个C语言程序对linux来说就是一个任务，除了运行C语言程序这个任务外还有其它的任务。当运行一个C语言程序完毕时，此次的任务也算是完成了。如在linux shell界面运行一个文件名为“hello.c”功能为输出“hello world!”的C语言程序,过程如下：

编译：gcc hello.c –o hello

运行：./hello

在运行hello可执行文件时，可以当做是shell调用了hello这个可执行程序。在hello运行完毕后，将返回值等返回给shell界面。整个C语言文件的生死全由linux shell程序管理。

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原文：宇凡微详解：51单片机程序执行流程

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