誤解程序運行(從單片機到開始)

菲利盟電子

關于程序的執行，以前想的不多，沒有意識到一個程序在運行時，從哪里讀指令，數據又寫在哪里。

最近在看CSAPP時這個念頭經常在腦袋中晃蕩。

從單片機上知道，在上電的那一刻，MCU的程序指針PC會被初始化為上電復位時的地址，從哪個地址處讀取將要執行的指令，由此程序在MCU上開始執行(當然在調用程序的 main之前，還有一系列其他的的初始化要做，如堆棧的初始化，不過這些我們很少回去修改)。PC在上電時，和MCU差不多，不過讀取的是BIOS，有它完成了很多初始化操作，最后，調用系統的初始化函數，將控制權交給了操作系統，于是我們看到了Windows，Linux系統啟動了。如果將操作系統看作是在處理器上跑的一個很大的裸機程序(就是直接在硬件上跑的程序，因為操作系統就是直接跑在CPU上的，這樣看待是可以的，不過這個裸機程序功能很多，很強大)，那么操作系統的啟動很像MCU程序的啟動。前者有一個很大的初始化程序完成很復雜的初始化，后者有一段不長的匯編代碼完成一些簡單的初始化。這一點看，它們在流程上是很相似的。

如果是系統上的程序啟動呢?它們是由系統來決定的。Linux上在shell下輸入./p后，首先檢查是否是一個內建的shell命令;如果不是，則shell假設他是一個可執行文件(Linux上一般是elf格式)，然后調用一些相關的函數，將在硬盤上的p文件的內容拷貝到內存(DDR RAM)中，并建立一個它的運行環境(當然這里邊還有內存映射，虛擬內存，連接與加載，等一些其他東西)，準備執行。

由以上可知，單片機上的程序和平時在系統上運行的程序，在啟動時差異是很大的(如果將程序調用main以前的動作，都抽象為初始化的話，程序的啟動可以簡化為：建立運行環境+調用main函數，這樣程序的執行差異是不大的)。因為單片機上跑的程序(裸機程序)，是和操作系統一樣跑在硬件上的，它們屬于一個層次的。過去之所以沒有區分出單片機上的程序和PC機上的程序的一些差異，就是沒有弄明白這一點。

由此，以前的一些疑惑也就解開了。為什么在單片機上的程序不怎么使用malloc，而PC上經常使用?因為單片機上沒有已經寫好的內存管理算法的代碼，而在PC上操作系統里運行的程序，libc已經把這些都做了，只需要調用就可以了。如果在單片機上想用動態內存，也可以，但是這些代碼要自己去實現，并定義一個相應的malloc，有時候一些公司會給提供一些庫函數可能會實現malloc，但是因為單片機上RAM內存十分有限，如果不知道它的運行方式，估計會很危險。同樣，因為在PC的系統上運行的程序與邏機程序的不同，裸機程序不會有動態鏈接，有的只是靜態鏈接。

關于程序在執行時，從哪里讀取指令，哪里讀取數據，也曾因為沒有弄清楚系統上的程序和裸機程序之間的區別，而疑惑了很久。雖然在《微型計算機原理》課上知道程序運行時，從內存中讀取指令和數據進行執行和回寫。但是單片機上只有幾K的RAM，而flash一般有幾十K甚至1M，這個時候指令和數據都在內存中嗎(這里指的內存僅指RAM，因為PC上我們常說的內存就是DDR RAM memory，先入為主以至于認為單片機上也是這樣，還沒有明白其實RAM和Flash都是內存)?這不可能，因為課上老師只說內存，但是PC上內存一般就是DDR RAM，不會是硬盤，硬盤是保存數據的地方;由此類比時，自己把自己弄暈菜了，單片機的RAM對應于DDR RAM，那Flash是不是就對應于硬盤了呢?

在CSAPP上明白了，PC上之所以都在DDR RAM上，是速度的因素。硬盤的速度太慢，即使是即將到來的SSD比起DDRRAM，還是差著幾個數量級，所以拷貝到DDRRAM中。這時，一個程序的代碼和數據是連續存放的，其中代碼段是只讀區域，數據段是可讀寫區域(這是由操作系統的內存管理機制決定的)。運行時，再將它們拷貝到速度更快的SRAM中，以得到更快的執行速度。而對于，單片機而言工作頻率也就幾M，幾十M，從Flash中與從RAM中讀的差異可能并不明顯，不會成為程序執行的瓶頸(而對于PC而言，Flash的速度太慢，DDRRAM的速度也是很慢，即使是SRAM也是慢了不少，于是再提高工作頻率也提高不了程序的執行速度，所以現在CPU工作頻率最快是在2003左右。

一個瓶頸出現了。為了提高CPU的使用率，換個角度想一下，既然不能減少一段程序的執行時間，就在同樣的時間執行更多的程序，一個核執行一段程序，兩個核就可以執行兩段程序，于是多核CPU成為了現在的主流)。所以裸機程序指令就在Flash(Flash memory)中存放，而數據就放在了RAM中(flash的寫入次數有限制，同時它的速度和RAM還是差很多)。更廣泛說，在單片機上RAM存放data段，bss段，堆棧段;ROM(EPROM，EEPROM，Flash等非易失性存儲設備)存放代碼，只讀數據段。本質上說，這和PC上程序都在RAM中存放是一樣的，PC 上是操作系統規定了可讀與可寫，而單片機上是依靠不同的存儲設備區分了可讀與可寫(當然現在的Flash是可讀寫的，如果Flash沒有寫入次數限制，速度又可以和RAM相差不多，單片機上是不是只要Flash就可以了呢(直接相當于PC上的DDRRAM)?這樣成本也會比一個RAM，一個Flash低，更節省成本，對于生產商更劃算)。

對于單片機的程序執行時指令和數據的存放與讀取，理解如下：

對單片機編程后，程序的代碼段，data段，bss段，rodata段等都存放在Flash中。當單片機上電后，初始化匯編代碼將data段，bss段，復制到RAM中，并建立好堆棧，開始調用程序的main函數。以后，便有了程序存儲器，和數據存儲器之分，運行時從Flash(即指令存儲器，代碼存儲器)中讀取指令 ，從RAM中讀取與寫入數據。RAM存在的意義就在于速度更快。

無論是單片機也好，PC也罷，存在的存儲器金字塔都是一致的，速度的因素，成本的限制導致了一級級更快的存儲器的更快速度與更高的成本。應該說，對于它們的理解，就是存儲器金字塔的理解。

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