姓名：傅昊升 學(xué)號(hào)：17021211248
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【嵌牛導(dǎo)讀】從單片機(jī)上知道衷畦，在上電的那一刻音五，MCU的程序指針會(huì)被初始化為上電復(fù)位時(shí)的地址，從那個(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，還有一系列其他的初始化要做，如堆棧的初始化瘦锹，不過這些我們很少會(huì)去修改)。PC在上電時(shí)闪盔，和MCU差不多弯院，不過讀取的是BIOS，有它完成了很多初始化操作泪掀，最后听绳，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)异赫，于是我們看到了Windows椅挣，Linux系統(tǒng)啟動(dòng)了。
【嵌牛鼻子】單片機(jī) ? ?PC ? 程序
【嵌牛提問】單片機(jī)和PC跑得程序有何區(qū)別塔拳？
【嵌牛鼻子】如果將操作系統(tǒng)看作是在處理器上跑的一個(gè)很大的裸機(jī)程序(就是直接在硬件上跑的程序鼠证，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)就是直接跑在CPU上的，這樣看待是可以的蝙斜，不過這個(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)澎胡。前者有一個(gè)很大的初始化程序完成很復(fù)雜的初始化孕荠，后者有一段不長的匯編代碼完成一些簡單的初始化。這一點(diǎn)看攻谁，它們?cè)诹鞒躺鲜呛芟嗨频摹?/p>
如果是系統(tǒng)上的程序啟動(dòng)呢?它們是由系統(tǒng)來決定的稚伍。Linux上在shell下輸入./p后，首先檢查是否是一個(gè)內(nèi)建的shell命令戚宦；如果不是个曙，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)受楼，將在硬盤上的p文件的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存(DDR RAM)中垦搬，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)存艳汽、連接與加載等一些其它東西)猴贰，準(zhǔn)備執(zhí)行。
由以上可知河狐，單片機(jī)上的程序和平時(shí)在系統(tǒng)上運(yùn)行的程序米绕，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)作瑟捣，都抽象為初始化的話，程序的啟動(dòng)可以簡化為：建立運(yùn)行環(huán)境+調(diào)用main函數(shù)栅干，這樣程序的執(zhí)行差異是不大的)迈套。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)層次的碱鳞。過去之所以沒有區(qū)分出單片機(jī)上的程序和PC機(jī)上的程序的一些差異桑李，就是沒有弄明白這一點(diǎn)。
由此劫笙，以前的一些疑惑也就解開了芙扎。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)上沒有已經(jīng)寫好的內(nèi)存管理算法的代碼填大，而在PC上操作系統(tǒng)里運(yùn)行的程序戒洼，libc已經(jīng)把這些都做了，只需要調(diào)用就可以了允华。如果在單片機(jī)上想用動(dòng)態(tài)內(nèi)存圈浇，也可以，但是這些代碼要自己去實(shí)現(xiàn)靴寂，并定義一個(gè)相應(yīng)的malloc磷蜀，有時(shí)候一些公司會(huì)給提供一些庫函數(shù)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)malloc，但是因?yàn)閱纹瑱C(jī)上RAM內(nèi)存十分有限百炬，如果不知道它的運(yùn)行方式褐隆，估計(jì)會(huì)很危險(xiǎn)。同樣剖踊，因?yàn)樵赑C的系統(tǒng)上運(yùn)行的程序與裸機(jī)程序不同庶弃，裸機(jī)程序不會(huì)有動(dòng)態(tài)鏈接，有的只是靜態(tài)鏈接德澈。
關(guān)于程序在執(zhí)行時(shí)歇攻，從哪里讀取指令，哪里讀取數(shù)據(jù)梆造，也曾因?yàn)闆]有弄清楚系統(tǒng)上的程序和裸機(jī)程序之間的區(qū)別缴守，而疑惑了很久。雖然在《微型計(jì)算機(jī)原理》課上知道程序運(yùn)行時(shí)镇辉，從內(nèi)存中讀取指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行和回寫屡穗。但是單片機(jī)上只有幾K的RAM，而Flash一般有幾十K甚至1M忽肛，這個(gè)時(shí)候指令和數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中嗎鸡捐？(這里指的內(nèi)存僅指RAM，因?yàn)镻C上我們常說的內(nèi)存就是DDR RAM memory麻裁，先入為主以至于認(rèn)為單片機(jī)上也是這樣箍镜，還沒有明白其實(shí)RAM和Flash都是內(nèi)存)?這不可能源祈，因?yàn)檎n上老師只說內(nèi)存，但是PC上內(nèi)存一般就是DDR RAM色迂，不會(huì)是硬盤香缺，硬盤是保存數(shù)據(jù)的地方；由此類比時(shí)歇僧，自己把自己弄暈菜了图张，單片機(jī)的RAM對(duì)應(yīng)于DDR RAM，那Flash是不是就對(duì)應(yīng)于硬盤了呢?在CSAPP上明白了诈悍，PC上之所以都在DDR RAM上祸轮，是速度的因素。硬盤的速度太慢侥钳，即使是即將到來的SSD比起DDRRAM适袜，還是差著幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以拷貝到DDRRAM中舷夺。這時(shí)苦酱，一個(gè)程序的代碼和數(shù)據(jù)是連續(xù)存放的，其中代碼段是只讀區(qū)域给猾，數(shù)據(jù)段是可讀寫區(qū)域(這是由操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制決定的)疫萤。運(yùn)行時(shí)，再將它們拷貝到速度更快的SRAM中敢伸，以得到更快的執(zhí)行速度扯饶。
而對(duì)于單片機(jī)而言，工作頻率也就幾M池颈，幾十M尾序，從Flash中與從RAM中讀的差異可能并不明顯，不會(huì)成為程序執(zhí)行的瓶頸(而對(duì)于PC而言饶辙，F(xiàn)lash的速度太慢蹲诀，DDR RAM的速度也是很慢斑粱，即使是SRAM也是慢了不少弃揽，于是再提高工作頻率也提高不了程序的執(zhí)行速度，所以一個(gè)瓶頸出現(xiàn)了则北。為了提高CPU的使用率矿微，換個(gè)角度想一下，既然不能減少一段程序的執(zhí)行時(shí)間尚揣，就在同樣的時(shí)間執(zhí)行更多的程序涌矢，一個(gè)核執(zhí)行一段程序，兩個(gè)核就可以執(zhí)行兩段程序快骗，于是多核CPU成為了現(xiàn)在的主流）娜庇。所以裸機(jī)程序指令就在Flash(Flash memory)中存放塔次，而數(shù)據(jù)就放在了RAM中(Flash的寫入次數(shù)有限制，同時(shí)它的速度和RAM還是差很多)名秀。更廣泛說励负，在單片機(jī)上RAM存放data段、bss段匕得、堆棧段继榆；ROM(EPROM、EEPROM汁掠、Flash等非易失性存儲(chǔ)設(shè)備)存放代碼略吨、只讀數(shù)據(jù)段。本質(zhì)上說考阱，這和PC上程序都在RAM中存放是一樣的翠忠，PC 上是操作系統(tǒng)規(guī)定了可讀與可寫，而單片機(jī)上是依靠不同的存儲(chǔ)設(shè)備區(qū)分了可讀與可寫(當(dāng)然現(xiàn)在的Flash是可讀寫的羔砾，如果Flash沒有寫入次數(shù)限制负间，速度又可以和RAM相差不多，單片機(jī)上是不是只要Flash就可以了呢(直接相當(dāng)于PC上的DDRRAM)?這樣成本也會(huì)比一個(gè)RAM姜凄，一個(gè)Flash低政溃，更節(jié)省成本，對(duì)于生產(chǎn)商更劃算)态秧。
對(duì)于單片機(jī)程序執(zhí)行時(shí)指令和數(shù)據(jù)的存放與讀取董虱，理解如下：
對(duì)單片機(jī)編程后，程序的代碼段申鱼、data段愤诱、bss段、rodata段等都存放在Flash中捐友。當(dāng)單片機(jī)上電后淫半，初始化匯編代碼將data段、bss段復(fù)制到RAM中匣砖，并建立好堆棧科吭，開始調(diào)用程序的main函數(shù)。以后猴鲫，便有了程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之分对人，運(yùn)行時(shí)從Flash(即指令存儲(chǔ)器，代碼存儲(chǔ)器)中讀取指令 拂共，從RAM中讀取與寫入數(shù)據(jù)牺弄。RAM存在的意義就在于速度更快。
無論是單片機(jī)也好宜狐，PC也罷势告，存在的存儲(chǔ)器金字塔都是一致的蛇捌，速度的因素、成本的限制導(dǎo)致了一級(jí)級(jí)更快的存儲(chǔ)器的更快速度與更高的成本咱台。應(yīng)該說豁陆，對(duì)于程序執(zhí)行的理解，就是存儲(chǔ)器金字塔的理解吵护。
注：
那么盒音，什么是RAM，ROM和Flash呢?盡管他們都是計(jì)算機(jī)內(nèi)存的一種形式馅而，但是RAM祥诽，ROM，F(xiàn)LASH它們?nèi)齻€(gè)都以各自的方式和他們存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互瓮恭。下面對(duì)每種內(nèi)存有一個(gè)簡短的說明雄坪。
RAM：表示隨機(jī)訪問內(nèi)存(random access memory)：微處理器可以讀寫訪問的內(nèi)存。當(dāng)我們創(chuàng)建一些東西時(shí)屯蹦，它是在內(nèi)存中完成的维哈。RAM是內(nèi)存，反之亦然登澜。
ROM：表示只讀內(nèi)存：微處理器可以讀ROM阔挠，但是不能寫入或修改。ROM是永久性的脑蠕。ROM芯片經(jīng)常保存一些重要且永不改變的特殊計(jì)算機(jī)指令购撼。無論何時(shí)，微處理器都可以訪問到存儲(chǔ)在ROM上的信息谴仙。因?yàn)檫@些指令不可被擦出迂求，所以他們保存在ROM中。
Flash Memory：是一種兼具RAM和ROM二者性質(zhì)的特殊內(nèi)存晃跺。我們可以像操作RAM一樣揩局，向Flash 內(nèi)存寫入數(shù)據(jù);但是它又像ROM一樣，數(shù)據(jù)在掉電時(shí)不丟失掀虎。悲劇的是凌盯，F(xiàn)lash 內(nèi)存沒有RAM那么快，所以任何時(shí)候都不要指望它能取代標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存涩盾。
