在單片機(jī)中指令如何執(zhí)行命令？

單片機(jī)將中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)和輸入輸出集成在一個(gè)芯片上。可以說(shuō)，單片機(jī)就是微機(jī)，只是它的功能和我們平時(shí)用的電腦不一樣，不是我們用的。像電腦一樣強(qiáng)大。計(jì)算機(jī)可以一個(gè)一個(gè)地運(yùn)行應(yīng)用程序，單片機(jī)可以根據(jù)工程師的指令編寫可執(zhí)行文件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。那么，單片機(jī)是如何知道要執(zhí)行什么指令，要做什么動(dòng)作，我們的指令又是如何被單片機(jī)識(shí)別的呢?了解這個(gè)過(guò)程可以加深對(duì)單片機(jī)的理解。

讓我們從最開始的環(huán)節(jié)講起。在單片機(jī)上電的瞬間，MCU的程序指針PC會(huì)被初始化為上電復(fù)位時(shí)的地址，從哪個(gè)地址處讀取將要執(zhí)行的指令，由此程序在MCU上開始執(zhí)行(當(dāng)然在調(diào)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(guò)這些很少回去修改)。PC在上電時(shí)，和MCU差不多，不過(guò)讀取的是BIOS，有它完成了很多初始化操作，最后，調(diào)用系統(tǒng)的初始化函數(shù)，將控制權(quán)交給了操作系統(tǒng)，于是我們看到了Windows、Linux系統(tǒng)啟動(dòng)了。

如果將操作系統(tǒng)看作是在處理器上奔跑的一個(gè)大裸機(jī)程序(就是直接在硬件上跑的程序，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)就是直接跑在CPU上的，這樣看待是可以的，不過(guò)這個(gè)裸機(jī)程序功能很多，很強(qiáng)大)，那么操作系統(tǒng)的啟動(dòng)很像MCU程序的啟動(dòng)。前者有一個(gè)很大的初始化程序完成很復(fù)雜的初始化，后者有一段不長(zhǎng)的匯編代碼完成一些簡(jiǎn)單的初始化。這一點(diǎn)看，它們?cè)诹鞒躺鲜呛芟嗨频摹?

如果是系統(tǒng)上的程序啟動(dòng)呢?它們是由系統(tǒng)來(lái)決定的。Linux上在shell下輸入./p后，首先檢查是否是一個(gè)內(nèi)建的shell命令;如果不是，則shell假設(shè)它是一個(gè)可執(zhí)行文件(Linux上一般是elf格式)，然后調(diào)用一些相關(guān)的函數(shù)，將在硬盤上的p文件的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存(DDR RAM)中，并建立一個(gè)它的運(yùn)行環(huán)境(當(dāng)然這里邊還有內(nèi)存映射，虛擬內(nèi)存，連接與加載，等一些其他東西)，準(zhǔn)備執(zhí)行。

由以上可知，單片機(jī)上的程序和平時(shí)在系統(tǒng)上運(yùn)行的程序相比，在啟動(dòng)時(shí)差異是很大的(如果將程序調(diào)用main以前的動(dòng)作，都抽象為初始化的話，程序的啟動(dòng)可以簡(jiǎn)化為：建立運(yùn)行環(huán)境+調(diào)用main函數(shù)，這樣程序的執(zhí)行差異是不大的)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)上跑的程序(裸機(jī)程序)，是和操作系統(tǒng)一樣跑在硬件上的，它們屬于一個(gè)層次的。過(guò)去之所以沒(méi)有區(qū)分出單片機(jī)上的程序和PC機(jī)上的程序的一些差異，就是沒(méi)有弄明白這一點(diǎn)。

由此，以前的一些疑惑也就解開了。為什么在單片機(jī)上的程序不怎么使用malloc，而PC上經(jīng)常使用?因?yàn)閱纹瑱C(jī)上沒(méi)有已經(jīng)寫好的內(nèi)存管理算法代碼，而在PC上操作系統(tǒng)里運(yùn)行的程序，libc已經(jīng)把這些都做了，只需要調(diào)用就可以了。如果在單片機(jī)上想用動(dòng)態(tài)內(nèi)存，也可以，但是這些代碼要自己去實(shí)現(xiàn)，并定義一個(gè)相應(yīng)的malloc，有時(shí)候一些公司會(huì)提供一些庫(kù)函數(shù)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)malloc，但是因?yàn)閱纹瑱C(jī)上RAM內(nèi)存十分有限，如果不知道它的運(yùn)行方式，估計(jì)會(huì)很危險(xiǎn)。同樣，因?yàn)樵赑C的系統(tǒng)上運(yùn)行的程序與邏機(jī)程序的不同，裸機(jī)程序不會(huì)有動(dòng)態(tài)鏈接，有的只是靜態(tài)鏈接。

分析單片機(jī)指令階段的任務(wù)是：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過(guò)程實(shí)際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過(guò)程，直至遇到停機(jī)指令可循環(huán)等待指令。一般計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，首先要通過(guò)外部設(shè)備把程序和數(shù)據(jù)通過(guò)輸入接口電路和數(shù)據(jù)總線送入到存儲(chǔ)器，然后逐條取出執(zhí)行。但單片機(jī)中的程序一般事先我們都已通過(guò)寫入器固化在片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器中。因而一開機(jī)即可執(zhí)行指令。