單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)（上）

關(guān)注單片機(jī)的存儲(chǔ)器

在此之前，GR-SAKURA電路板(搭載瑞薩電子單片機(jī)“RX63N”)的程序設(shè)計(jì)是使用Web編譯器來進(jìn)行的。將通過編譯器搭建的程序(Object Code，結(jié)果代碼)如同寫入U(xiǎn)盤一樣將之傳送到GR-SAKURA電路板后再執(zhí)行。那么，問題來了。寫入(傳送到)單片機(jī)的程序應(yīng)該保存在哪兒呢?另外，程序又是如何被執(zhí)行的呢?在解答這些問題的同時(shí)，讓我們一起來了解一下單片機(jī)與程序的關(guān)系吧。

首先來了解存儲(chǔ)器﹑主存儲(chǔ)器和外置存儲(chǔ)器的兩種作用

記憶(保存)程序和數(shù)據(jù)的地方即存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器有以下兩種類型。

外置存儲(chǔ)器中的程序需傳送到主存儲(chǔ)器后才能執(zhí)行。

關(guān)于單片機(jī)的存儲(chǔ)器，常會(huì)看到ROM(Read Only Memory：只讀存儲(chǔ)器)和RAM(Random Access Memory：可讀寫存儲(chǔ)器)等詞匯，其實(shí)ROM和RAM僅是表示存儲(chǔ)器性質(zhì)，而與存儲(chǔ)器的作用無關(guān)。(請(qǐng)參考單片機(jī)入門①，了解單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和操作)

地址空間(內(nèi)存空間)

CPU能夠直接進(jìn)行讀寫的所有空間被稱為“地址空間(或內(nèi)存空間)”。這個(gè)地址空間的每個(gè)字節(jié)都標(biāo)注有號(hào)碼。這個(gè)號(hào)碼稱為“地址(address)”，一般以十六進(jìn)制來表示。上面所介紹過的主存儲(chǔ)器都包含在地址空間內(nèi)。

根據(jù)不同用途，單片機(jī)的CPU已開發(fā)出了4位、8位、16位和32位。在GR-SAKURA中使用的RX63N單片機(jī)搭載了32位的CPU，因此也被稱為“32位單片機(jī)”。那么，單片機(jī)所擁有的地址空間容量到底有多少呢?以RX63N為例，由于是32位的CPU，因此最大能夠指定約40億(2的32次方)個(gè)地址。確切地說是4，294，967，296(4x1024x1024x1024)個(gè)地址。由于一個(gè)地址可以記憶一個(gè)字節(jié)，這時(shí)也可以表示為具有 “4GB(千兆字節(jié))的地址空間”。地址空間的容量越大越能搭載大容量的存儲(chǔ)器，也可容納更大的程序。因此能夠?qū)崿F(xiàn)更高功能的應(yīng)用。

32位字節(jié)的CPU所擁有的4G字節(jié)的地址空間示例如圖1所示。左邊所示的是以十六進(jìn)制標(biāo)示的地址。由于一列保存有4個(gè)字節(jié)(=32位)，所以左邊所標(biāo)記的地址就是每4個(gè)地址的值。

計(jì)算機(jī)的單位：位、字節(jié)、兆、千兆和兆兆(太)

數(shù)據(jù)的基本單位是位(b=bit)，每個(gè)位的值為“0”或“1”。8位為1個(gè)字節(jié)(B=Byte)。例如，3個(gè)字節(jié)(3×8位)等同于24位。

電腦存儲(chǔ)設(shè)備的容量所使用的單位，大家耳熟能詳?shù)挠蠯B(千字節(jié))、MB(兆字節(jié))、GB(千兆字節(jié))和TB(太字節(jié))等。一般情況下會(huì)說 1GB=1000MB或者這樣寫出來，但在計(jì)算機(jī)的世界里，此單位并非為1000倍，而是1024倍(2的10次方)，因此正確的表示如下：

1KB(千字節(jié))=2的10次方 = 1，024 字節(jié)

1MB(兆字節(jié))=1，024KB = 2的20次方 1，048，576 字節(jié)

1GB(千兆字節(jié))=1，024MB = 2的30次方 = 1，073，741，824 字節(jié)

1TB(太字節(jié))=1，024GB = 2的40次方 = 1，099，511，627，776字節(jié)

表示地址的十六進(jìn)制指的是什么?

地址空間內(nèi)的地址以16進(jìn)制來表示。例如，擁有16位(2的16次方)大小的地址空間中，如果以10進(jìn)制來表示，就是“從地址0到地址65535”，如果以16進(jìn)制來表示，則是從“地址0h到地址FFFFh”。在10進(jìn)制中，每一位所取的值都在0到9之間，而在16進(jìn)制中，則是0到F(相當(dāng)于10進(jìn)制的15)。以16進(jìn)制表示的數(shù)，最后都有一個(gè)“h”，標(biāo)明是以16進(jìn)制來表示的。

程序保存在哪兒呢?(向量表)

那么，程序被保存在地址空間的什么地方，又是怎么樣開始工作的呢?單片機(jī)復(fù)位后便開始執(zhí)行最優(yōu)先程序。復(fù)位是在接通電源或接收到復(fù)位信號(hào)時(shí)發(fā)生。實(shí)際上，這種“開始執(zhí)行最優(yōu)先程序”處理中，有如下所示的兩種方法。

即開始執(zhí)行程序時(shí)，有將執(zhí)行程序的起始地址設(shè)為固定的CPU及將之設(shè)為可變地址的CPU。

在將起始地址設(shè)為固定的CPU中，大多是從地址0(地址空間中最小的地址)開始執(zhí)行。這就是程序開始的地點(diǎn)。而且，有時(shí)要事先在地址0中實(shí)現(xiàn)寫入“下一個(gè)要執(zhí)行的是地址○○”的跳轉(zhuǎn)(Jump)指令，并將程序預(yù)先放置在“地址○○”中。如果改寫“地址○○”，將可獲得與將起始地址設(shè)為可變地址同樣的效果。

將起始地址設(shè)為可變地址的CPU將起始地址寫入被稱為“向量表”的部分中(圖2)。向量表是只存放地址空間中各種起始地址的特定區(qū)域的名稱。一般來說是它放置在地址空間中最大地址的部分。

以RX63N為例，由于地址是以32位來顯示的，為了保存它就需要4個(gè)字節(jié)。這就意味著圖3中的“復(fù)位”部分表示從地址FFFFFFFCh到地址 FFFFFFFFh的4個(gè)字節(jié)中保存了程序的起始地址。CPU復(fù)位后將讀取保存于此的地址，并從作了標(biāo)記的地址開始執(zhí)行。被寫入向量表的不僅是復(fù)位后的起始地址，向量表中還保存發(fā)生中斷時(shí)程序的起始地址和異常處理(Exception Handling)的起始地址。也正因?yàn)楸４媪税l(fā)生中斷及異常處理等因多種事由的起始地址，所以才被稱為“表(Table)”。

我們來設(shè)想一下使用了向量表的程序處理的情況。圖3表示出了發(fā)生非屏蔽中斷(NMI) (*1) 時(shí)的處理流程例。

(1)產(chǎn)生NMI，

(2)讀取寫在向量表的NMI的起始地址(此例中為10000000h)，

(3)執(zhí)行所讀取地址(10000000h)中的NMI程序。

(*1)非屏蔽中斷(NMI)：所謂非屏蔽指的是無法禁止的意思。如有中斷請(qǐng)求，CPU將無條件地執(zhí)行中斷處理?？捎糜谕ㄟ^看門狗定時(shí)器進(jìn)行的中斷處理等。關(guān)于看門狗定時(shí)器，在連載的“定時(shí)器”中已為大家作了介紹。

如上所述，在將程序的起始地址設(shè)為可變的CPU中，由于能夠通過寫入向量表來指定中斷處理的起始地址，因此具有在地址空間中自由配置中斷處理程序的特征。

本期我們介紹了CPU的地址空間與外設(shè)功能的關(guān)系、以及程序是從哪里開始執(zhí)行的等內(nèi)容。如果單片機(jī)為32位，就有非常巨大的地址空間可以使用。內(nèi)存是非常寶貴的資源，所以將保存在內(nèi)存中的程序設(shè)計(jì)得小巧非常重要，但32位單片機(jī)的地址空間已比16位的大了很多。為了縮小程序，沒有必要進(jìn)行復(fù)雜的編程，我們的程序都是在更易于讀取的目標(biāo)下來編寫的。