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在单片机中指令如何执行命令？

时间：2023-05-20 09:20:01

关键字：单片机寄存器指令

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[导读]单片机将中央处理器(CPU)、存储和输入输出集成在一个芯片上。可以说，单片机就是微机，只是它的功能和我们平时用的电脑不一样，不是我们用的。像电脑一样强大。计算机可以一个一个地运行应用程序，单片机可以根据工程师的指令编写可执行文件来实现各种功能。那么，单片机是如何知道要执行什么指令，要做什么动作，我们的指令又是如何被单片机识别的呢?了解这个过程可以加深对单片机的理解。

单片机将中央处理器(CPU)、存储和输入输出集成在一个芯片上。可以说，单片机就是微机，只是它的功能和我们平时用的电脑不一样，不是我们用的。像电脑一样强大。计算机可以一个一个地运行应用程序，单片机可以根据工程师的指令编写可执行文件来实现各种功能。那么，单片机是如何知道要执行什么指令，要做什么动作，我们的指令又是如何被单片机识别的呢?了解这个过程可以加深对单片机的理解。

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。

分析单片机指令阶段的任务是：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。