單片機的小秘密 —— 指令數據都被寫在了哪？

ID:262 · 發表于 2016-3-11 22:23

      單片機的正常運行的前提，硬件是一方面，另一方面就是單片機需要執行的程序。大家都知道單片機會執行寫好的程序，但是單片機從哪里開始讀取指令，數據又被寫在了哪里呢?
      讓我們從最開始的環節講起。在單片機上電的瞬間，MCU的程序指針PC會被初始化為上電復位時的地址，從哪個地址處讀取將要執行的指令，由此程序在MCU上開始執行（當然在調用程序的main之前，還有一系列其他的的初始化要做，如堆棧的初始化，不過這些很少回去修改）。PC在上電時，和MCU差不多，不過讀取的是BIOS，有它完成了很多初始化操作，最后，調用系統的初始化函數，將控制權交給了操作系統，于是我們看到了Windows、Linux系統啟動了。
      如果將操作系統看作是在處理器上奔跑的一個大裸機程序（就是直接在硬件上跑的程序，因為操作系統就是直接跑在CPU上的，這樣看待是可以的，不過這個裸機程序功能很多，很強大），那么操作系統的啟動很像MCU程序的啟動。前者有一個很大的初始化程序完成很復雜的初始化，后者有一段不長的匯編代碼完成一些簡單的初始化。這一點看，它們在流程上是很相似的。
      如果是系統上的程序啟動呢?它們是由系統來決定的。Linux上在shell下輸入./p后，首先檢查是否是一個內建的shell命令；如果不是，則shell假設它是一個可執行文件（Linux上一般是elf格式），然后調用一些相關的函數，將在硬盤上的p文件的內容拷貝到內存（DDR RAM）中，并建立一個它的運行環境（當然這里邊還有內存映射，虛擬內存，連接與加載，等一些其他東西），準備執行。
      由以上可知，單片機上的程序和平時在系統上運行的程序相比，在啟動時差異是很大的（如果將程序調用main以前的動作，都抽象為初始化的話，程序的啟動可以簡化為：建立運行環境+調用main函數，這樣程序的執行差異是不大的）。因為單片機上跑的程序（裸機程序），是和操作系統一樣跑在硬件上的，它們屬于一個層次的。過去之所以沒有區分出單片機上的程序和PC機上的程序的一些差異，就是沒有弄明白這一點。
      由此，以前的一些疑惑也就解開了。為什么在單片機上的程序不怎么使用malloc，而PC上經常使用?因為單片機上沒有已經寫好的內存管理算法代碼，而在PC上操作系統里運行的程序，libc已經把這些都做了，只需要調用就可以了。如果在單片機上想用動態內存，也可以，但是這些代碼要自己去實現，并定義一個相應的malloc，有時候一些公司會提供一些庫函數可能會實現malloc，但是因為單片機上RAM內存十分有限，如果不知道它的運行方式，估計會很危險。同樣，因為在PC的系統上運行的程序與邏機程序的不同，裸機程序不會有動態鏈接，有的只是靜態鏈接。

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