單片機執(zhí)行指令過程詳解

單片機執(zhí)行程序的過程，實際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計算機每執(zhí)行一條指令都可分為三個階段進行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。

取指令的任務(wù)是：根據(jù)程序計數(shù)器PC中的值從程序存儲器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器。

分析指令階段的任務(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。

計算機執(zhí)行程序的過程實際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過程，直至遇到停機指令可循環(huán)等待指令。

一般計算機進行工作時，首先要通過外部設(shè)備把程序和數(shù)據(jù)通過輸入接口電路和數(shù)據(jù)總線送入到存儲器，然后逐條取出執(zhí)行。但單片機中的程序一般事先我們都已通過寫入器固化在片內(nèi)或片外程序存儲器中。因而一開機即可執(zhí)行指令。

下面我們將舉個實例來說明指令的執(zhí)行過程：

開機時，程序計算器PC變?yōu)?000H。然后單片機在時序電路作用下自動進入執(zhí)行程序過程。執(zhí)行過程實際上就是取出指令（取出存儲器中事先存放的指令階段）和執(zhí)行指令（分析和執(zhí)行指令）的循環(huán)過程。

例如執(zhí)行指令：MOV A，#0E0H，其機器碼為“74H E0H”，該指令的功能是把操作數(shù)E0H送入累加器，0000H單元中已存放74H，0001H單元中已存放E0H。當(dāng)單片機開始運行時，首先是進入取指階段，其次序是：

1 程序計數(shù)器的內(nèi)容（這時是0000H）送到地址寄存器;

2 程序計數(shù)器的內(nèi)容自動加1（變?yōu)?001H）;

3 地址寄存器的內(nèi)容（0000H）通過內(nèi)部地址總線送到存儲器，以存儲器中地址譯碼電跟，使地址為0000H的單元被選中;

4 CPU使讀控制線有效;

5 在讀命令控制下被選中存儲器單元的內(nèi)容（此時應(yīng)為74H）送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，因為是取指階段，所以該內(nèi)容通過數(shù)據(jù)總線被送到指令寄存器。

至此，取指階段完成，進入譯碼分析和執(zhí)行指令階段。

由于本次進入指令寄存器中的內(nèi)容是74H（操作碼），以譯碼器譯碼后單片機就會知道該指令是要將一個數(shù)送到A累加器，而該數(shù)是在這個代碼的下一個存儲單元。所以，執(zhí)行該指令還必須把數(shù)據(jù)（E0H）從存儲器中取出送到CPU，即還要在存儲器中取第二個字節(jié)。其過程與取指階段很相似，只是此時PC已為0001H。指令譯碼器結(jié)合時序部件，產(chǎn)生74H操作碼的微操作系列，使數(shù)字E0H從0001H單元取出。

因為指令是要求把取得的數(shù)送到A累加器，所以取出的數(shù)字經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進入A累加器，而不是進入指令寄存器。至此，一條指令的執(zhí)行完畢。單片機中PC=0002H，PC在CPU每次向存儲器取指或取數(shù)時自動加1，單片機又進入下一取指階段。這一過程一直重復(fù)下去，直至收到暫停指令或循環(huán)等待指令暫停。CPU就是這樣一條一條地執(zhí)行指令，完成所有規(guī)定的功能。

對于一款mcu來說，在性能描述的時候都會告訴sram，flash的容量大小，對于初學(xué)者來說，也不會去考慮和理會這些東西，拿到東西就只用。其實不然，這些量都是十分重要的，仔細想想，代碼為什么可以運行，代碼量是多少，定義的int、short等等類型的變量究竟是怎么分配和存儲的，這些問題都和內(nèi)寸有關(guān)系。

首先單片機的內(nèi)存可以大小分為ram和rom，這里就不再解釋ram和rom的區(qū)別了，我們可以將其等效為flash和sram，其中根據(jù)flash和sram的定義可得，flash里面的數(shù)據(jù)掉電可保存，sram中的并不可以，但是sram的執(zhí)行速度要快于flash，可以將單片機的程序分為code（代碼存儲區(qū)）、RO-data（只讀數(shù)據(jù)存儲區(qū)）、RW-data（讀寫數(shù)據(jù)存儲區(qū)）和ZI-data（零初始化數(shù)據(jù)區(qū)）。在MDK編譯器下可以觀察到在代碼中這4個量的值，如下圖1所示：

其中code和RO-data存儲在flash中，所以兩者之和為單片機中flash需要分配給它們的空間大小（并且等于代碼所生成的.bin文件大小），另外RW-data和ZI-data存儲在sram中，同樣兩者之和為單片機中sram需要分配給它們的空間大小。

另外，我們必然會想到棧區(qū)（stack）、堆區(qū)（heap）、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（staTIc）、文字常量區(qū)和程序代碼區(qū)和上面所介紹的code、RO-data等的關(guān)系。

1、棧區(qū)（stack）：由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。 這些值是可讀寫的，那么stack應(yīng)該被包含在RW-data（讀寫數(shù)據(jù)存儲區(qū)），也就是單片機的sram中。

2、堆區(qū)（heap）：一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收 。可以理解，這些也是被包含在單片機的sram中的。

3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（staTIc）：全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域，程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。這些數(shù)據(jù)也是可讀可寫的，和stack、heap一樣，被包含在sram中。

4、文字常量區(qū)：常量字符串就是放在這里的。這些數(shù)據(jù)是只讀的，分配在RO-data（只讀數(shù)據(jù)存儲區(qū)），則被包含在flash中。

5、程序代碼區(qū)：存放函數(shù)體的二進制代碼，可以想象也是被包含在flash，因為對于MCU來說，當(dāng)其重新上電，代碼還會繼續(xù)運行，并不會消失，所以存儲在flash中。