单片机程序是如何执行的?指令数据写哪了?
2019/03/19 21:20:24
单片机(one-board computer)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(one-board computer)的运行需要执行写好的程序，但是单片机(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)上的程序不怎么使用malloc，而PC上经常使用?因为单片机(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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(one-board computer)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。