浅谈单片机的程序执行过程
一、前言
从单片机上知道，在上电的那一刻，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，不过这些我们很少会去修改）
二、启动过程
pc在上电时和mcu差不多，不过电脑读取的是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跑的一个很大的裸机程序(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假设他是一个可执行文件(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，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的代码，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，有时候一些公司会给提供一些库函数可能会实现malloc。
由于单片机上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。
三、程序的执行
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，自己把自己弄晕菜了，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，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;
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。
四、结语
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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二、启动过程
pc在上电时和mcu差不多，不过电脑读取的是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跑的一个很大的裸机程序(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假设他是一个可执行文件(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，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的代码，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，有时候一些公司会给提供一些库函数可能会实现malloc。
由于单片机上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。
三、程序的执行
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，自己把自己弄晕菜了，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，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;
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。
四、结语
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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