ROM與RAM 單片機(jī)上電后是如何一步步執(zhí)行的

ROM：(Read Only Memory)程序存儲(chǔ)器
在單片機(jī)中用來(lái)存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)及常量數(shù)據(jù)或變量數(shù)據(jù)，凡是c文件及h文件中所有代碼、全局變量、局部變量、’const’限定符定義的常量數(shù)據(jù)、startup.asm文件中的代碼(類似ARM中的bootloader或者X86中的BIOS，一些低端的單片機(jī)是沒(méi)有這個(gè)的)通通都存儲(chǔ)在ROM中。
RAM：(Random Access Memory)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器
用來(lái)存儲(chǔ)程序中用到的變量。凡是整個(gè)程序中，所用到的需要被改寫的量，都存儲(chǔ)在RAM中，“被改變的量”包括全局變量、局部變量、堆棧段。
程序經(jīng)過(guò)編譯、匯編、鏈接后，生成hex文件。用專用的燒錄軟件，通過(guò)燒錄器將hex文件燒錄到ROM中(究竟是怎樣將hex文件傳輸?shù)組CU內(nèi)部的ROM中的呢?)，因此，這個(gè)時(shí)候的ROM中，包含所有的程序內(nèi)容：無(wú)論是一行一行的程序代碼，函數(shù)中用到的局部變量，頭文件中所聲明的全局變量，const聲明的只讀常量，都被生成了二進(jìn)制數(shù)據(jù)，包含在hex文件中，全部燒錄到了ROM里面，此時(shí)的ROM，包含了程序的所有信息，正是由于這些信息，“指導(dǎo)”了CPU的所有動(dòng)作。
可能有人會(huì)有疑問(wèn)，既然所有的數(shù)據(jù)在ROM中，那RAM中的數(shù)據(jù)從哪里來(lái)?什么時(shí)候CPU將數(shù)據(jù)加載到RAM中?會(huì)不會(huì)是在燒錄的時(shí)候，已經(jīng)將需要放在RAM中數(shù)據(jù)燒錄到了RAM中?
要回答這個(gè)問(wèn)題，首先必須明確一條：ROM是只讀存儲(chǔ)器，CPU只能從里面讀數(shù)據(jù)，而不能往里面寫數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)依然保存在存儲(chǔ)器中;RAM是隨機(jī)存儲(chǔ)器，CPU既可以從里面讀出數(shù)據(jù)，又可以往里面寫入數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)不保存，這是條永恒的真理，始終記掛在心。
清楚了上面的問(wèn)題，那么就很容易想到，RAM中的數(shù)據(jù)不是在燒錄的時(shí)候?qū)懭氲模驗(yàn)闊浲戤吅?，拔?strong>電源，當(dāng)再給MCU上電后，CPU能正常執(zhí)行動(dòng)作，RAM中照樣有數(shù)據(jù)，這就說(shuō)明：RAM中的數(shù)據(jù)不是在燒錄的時(shí)候?qū)懭氲?，同時(shí)也說(shuō)明，在CPU運(yùn)行時(shí)，RAM中已經(jīng)寫入了數(shù)據(jù)。關(guān)鍵就在這里：這個(gè)數(shù)據(jù)不是人為寫入的，CPU寫入的，那CPU又是什么時(shí)候?qū)懭氲哪?聽我娓娓道來(lái)。
上回說(shuō)到，ROM中包含所有的程序內(nèi)容，在MCU上電時(shí)，CPU開始從第1行代碼處執(zhí)行指令。這里所做的工作是為整個(gè)程序的順利運(yùn)行做好準(zhǔn)備，或者說(shuō)是對(duì)RAM的初始化(注：ROM是只讀不寫的)，工作任務(wù)有幾項(xiàng)：
1、為全局變量分配地址空間---à如果全局變量已賦初值，則將初始值從ROM中拷貝到RAM中，如果沒(méi)有賦初值，則這個(gè)全局變量所對(duì)應(yīng)的地址下的初值為0或者是不確定的。當(dāng)然，如果已經(jīng)指定了變量的地址空間，則直接定位到對(duì)應(yīng)的地址就行，那么這里分配地址及定位地址的任務(wù)由“連接器”完成。
2、設(shè)置堆棧段的長(zhǎng)度及地址---à用C語(yǔ)言開發(fā)的單片機(jī)程序里面，普遍都沒(méi)有涉及到堆棧段長(zhǎng)度的設(shè)置，但這不意味著不用設(shè)置。堆棧段主要是用來(lái)在中斷處理時(shí)起“保存現(xiàn)場(chǎng)”及“現(xiàn)場(chǎng)還原”的作用，其重要性不言而喻。而這么重要的內(nèi)容，也包含在了編譯器預(yù)設(shè)的內(nèi)容里面，確實(shí)省事，可并不一定省心。平時(shí)怎么就沒(méi)發(fā)現(xiàn)呢?奇怪。
3、分配數(shù)據(jù)段data，常量段const，代碼段code的起始地址。代碼段與常量段的地址可以不管，它們都是固定在ROM里面的，無(wú)論它們?cè)趺磁帕?，都不?huì)對(duì)程序產(chǎn)生影響。但是數(shù)據(jù)段的地址就必須得關(guān)心。數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)時(shí)要從ROM拷貝到RAM中去的，而在RAM中，既有數(shù)據(jù)段data,也有堆棧段stack，還有通用的工作寄存器組。通常，工作寄存器組的地址是固定的，這就要求在絕對(duì)定址數(shù)據(jù)段時(shí)，不能使數(shù)據(jù)段覆蓋所有的工作寄存器組的地址。必須引起嚴(yán)重關(guān)注。
這里所說(shuō)的“第一行代碼處”，并不一定是你自己寫的程序代碼，絕大部分都是編譯器代勞的，或者是編譯器自帶的demo程序文件。因?yàn)?，你自己寫的程?C語(yǔ)言程序)里面，并不包含這些內(nèi)容。高級(jí)一點(diǎn)的單片機(jī)，這些內(nèi)容，都是在startup的文件里面。仔細(xì)閱讀，有好處的。
通常的做法是：普通的flashMCU是在上電時(shí)或復(fù)位時(shí)，PC指針里面的存放的是“0000”，表示CPU從ROM的0000地址開始執(zhí)行指令，在該地址處放一條跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到_main函數(shù)中，然后根據(jù)不同的指令，一條一條的執(zhí)行，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)(中斷數(shù)量也很有限，2~5個(gè)中斷)，按照系統(tǒng)分配的中斷向量表地址，在中斷向量里面，放置一條跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的指令，如此如此，整個(gè)程序就跑起來(lái)了。決定CPU這樣做，是這種ROM結(jié)構(gòu)所造成的。
其實(shí)，這里面，C語(yǔ)言編譯器作了很多的工作，只是，你不知道而已。如果你仔細(xì)閱讀編譯器自帶的help文件就會(huì)知道很多的事情，這是對(duì)編譯器了解最好的途徑。
I/O口寄存器：
也是可以被改變的量，它被安排在一個(gè)特別的RAM地址，為系統(tǒng)所訪問(wèn)，而不能將其他變量定義在這些位置。
中斷向量表：
中斷向量表是被固定在MCU內(nèi)部的ROM地址中，不同的地址對(duì)應(yīng)不同的中斷。每次中斷產(chǎn)生時(shí)，直接調(diào)用對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，將程序的入口地址放在中斷向量表中。
ROM的大小問(wèn)題：
對(duì)于flash類型的MCU，ROM空間的大小通常都是整字節(jié)的，即為ak*8bits。這很好理解，一眼就知道，ROM的空間為aK。但是，對(duì)于某些OTP類型的單片機(jī)，比如holtek或者sonix公司的單片機(jī)，經(jīng)常看到數(shù)據(jù)手冊(cè)上寫的是“OTP progarming ROM 2k*15bit。。。。。”，可能會(huì)產(chǎn)生疑惑，這個(gè)“15bit”認(rèn)為是1個(gè)字節(jié)有余，2個(gè)字節(jié)又不足，那這個(gè)ROM空間究竟是2k，多于2k，還是4k但是少了一點(diǎn)點(diǎn)呢?
這里要明確兩個(gè)概念：一個(gè)是指令的位寬，另一個(gè)是指令的長(zhǎng)度。指令的位寬是指一條指令所占的數(shù)據(jù)位的寬度;有些是8位位寬，有些是15位位寬。指令長(zhǎng)度是指每條指令所占的存儲(chǔ)空間，有1個(gè)字節(jié)，有2個(gè)字節(jié)的，也有3個(gè)字節(jié)甚至4個(gè)字節(jié)的指令。這個(gè)可以打個(gè)形象的比方：我們做廣播體操時(shí)，有很多動(dòng)作要做，但是每個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作都可以分解為幾個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作。例如，當(dāng)做伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們只聽到廣播里面喊“2、2、3、4、5、6、7、8”，而這里每一個(gè)數(shù)字都代表一個(gè)指令，聽到“3”這個(gè)指令后，我們的頭、手、腰、腿、腳分別作出不同的動(dòng)作：兩眼目視前方，左手叉腰，右手往上抬起，五指伸直自然并攏打開，右腿伸直，左腿成弓步······等等一系列的分解動(dòng)作，而要做完這些動(dòng)作的指令只有一個(gè)“3”，要執(zhí)行的動(dòng)作卻又很多，于是將多個(gè)分解動(dòng)作合并成一個(gè)指令，而每個(gè)分解動(dòng)作的“位寬”為15bits。實(shí)事上也確實(shí)如此，當(dāng)在反匯編或者匯編時(shí)，可以看到，復(fù)合指令的確是有簡(jiǎn)單的指令組合起來(lái)的。
到此，回答前面那個(gè)問(wèn)題，這個(gè)OTP的ROM空間應(yīng)該是2K,指令位寬為15位。一般的，當(dāng)指令位寬不是8的倍數(shù)時(shí)，則說(shuō)明該MCU的大部分指令長(zhǎng)度是一個(gè)字節(jié)(注：該字節(jié)寬度為15位，不是8位)，極少數(shù)為2個(gè)或多個(gè)字節(jié)，雖然其總的空間少，但是其能容下的空間數(shù)據(jù)并不少。