单片机执行指令过程详解

单片机执行程序的过程，实际上就是执行我们所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。

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。

一般计算机进行工作时，首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器，然后逐条取出执行。但单片机中的程序一般事先我们都已通过写入器固化在片内或片外程序存储器中。因而一开机即可执行指令。

下面我们将举个实例来说明指令的执行过程：

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74H，0001H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：

1 程序计数器的内容(这时是0000H)送到地址寄存器;

2 程序计数器的内容自动加1(变为0001H);

3 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;

4 CPU使读控制线有效;

5 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。

至此，取指阶段完成，进入译码分析和执行指令阶段。

由于本次进入指令寄存器中的内容是74H(操作码)，以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到A累加器，而该数是在这个代码的下一个存储单元。所以，执行该指令还必须把数据(E0H)从存储器中取出送到CPU，即还要在存储器中取第二个字节。其过程与取指阶段很相似，只是此时PC已为0001H。指令译码器结合时序部件，产生74H操作码的微操作系列，使数字E0H从0001H单元取出。

因为指令是要求把取得的数送到A累加器，所以取出的数字经内部数据总线进入A累加器，而不是进入指令寄存器。至此，一条指令的执行完毕。单片机中PC=0002H，PC在CPU每次向存储器取指或取数时自动加1，单片机又进入下一取指阶段。这一过程一直重复下去，直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU就是这样一条一条地执行指令，完成所有规定的功能。

对于一款MCU来说，在性能描述的时候都会告诉sram，flash的容量大小，对于初学者来说，也不会去考虑和理会这些东西，拿到东西就只用。其实不然，这些量都是十分重要的，仔细想想，代码为什么可以运行，代码量是多少，定义的int、short等等类型的变量究竟是怎么分配和存储的，这些问题都和内寸有关系。

首先单片机的内存可以大小分为ram和rom，这里就不再解释ram和rom的区别了，我们可以将其等效为flash和sram，其中根据flash和sram的定义可得，flash里面的数据掉电可保存，sram中的并不可以，但是sram的执行速度要快于flash，可以将单片机的程序分为code(代码存储区)、RO-data(只读数据存储区)、RW-data(读写数据存储区)和ZI-data(零初始化数据区)。在MDK编译器下可以观察到在代码中这4个量的值，如下图1所示：

其中code和RO-data存储在flash中，所以两者之和为单片机中flash需要分配给它们的空间大小(并且等于代码所生成的.bin文件大小)，另外RW-data和ZI-data存储在sram中，同样两者之和为单片机中sram需要分配给它们的空间大小。

另外，我们必然会想到栈区(stack)、堆区(heap)、全局区(静态区)(staTIc)、文字常量区和程序代码区和上面所介绍的code、RO-data等的关系。

1、栈区(stack)：由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。 这些值是可读写的，那么stack应该被包含在RW-data(读写数据存储区)，也就是单片机的sram中。

2、堆区(heap)：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。可以理解，这些也是被包含在单片机的sram中的。

3、全局区(静态区)(staTIc)：全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域，程序结束后由系统释放。这些数据也是可读可写的，和stack、heap一样，被包含在sram中。

4、文字常量区：常量字符串就是放在这里的。这些数据是只读的，分配在RO-data(只读数据存储区)，则被包含在flash中。

5、程序代码区：存放函数体的二进制代码，可以想象也是被包含在flash，因为对于MCU来说，当其重新上电，代码还会继续运行，并不会消失，所以存储在flash中。

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。

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