有效使用单片机外设功能:(5)程序设计(上)

我们在之前的四期中对利用单片机的功能进行程序设计进行了说明。单片机内置了非常便于使用的外设功能,大家一定也能感受到单片机可应对各种要求的能力。但是,如果要有效地运行单片机,程序是不可或缺的,那么程序到底是如何运行的呢?从本期开始,我们将分两期连续向大家介绍单片机与程序的关系。

关注单片机的存储器

在此之前,GR-SAKURA电路板(搭载瑞萨电子单片机“RX63N”)的程序设计是使用Web编译器来进行的。将通过编译器搭建的程序(Object Code,结果代码)如同写入U盘一样将之传送到GR-SAKURA电路板后再执行。那么,问题来了。写入(传送到)单片机的程序应该保存在哪儿呢?另外,程序又是如何被执行的呢?在解答这些问题的同时,让我们一起来了解一下单片机与程序的关系吧。

首先来了解存储器﹑主存储器和外置存储器的两种作用

记忆(保存)程序和数据的地方即存储器。存储器有以下两种类型。

主存储器

CPU能够直接进行存取的存储器,用于保存正在执行中的程序和数据

外置存储器(辅助存储器、二级缓存器)

不能从CPU直接进行存取,需通过USB或串行、并行的各种I/O来进行存取,用于保存不在执行当中(处理中)的应用和数据

外置存储器中的程序需传送到主存储器后才能执行。

关于单片机的存储器,常会看到ROM(Read Only Memory:只读存储器)和RAM(Random Access Memory:可读写存储器)等词汇,其实ROM和RAM仅是表示存储器性质,而与存储器的作用无关。(请参考单片机入门(1),了解单片机的基本结构和操作)

地址空间(内存空间)

CPU能够直接进行读写的所有空间被称为“地址空间(或内存空间)”。这个地址空间的每个字节都标注有号码。这个号码称为“地址(address)”,一般以十六进制来表示。上面所介绍过的主存储器都包含在地址空间内。

根据不同用途,单片机的CPU已开发出了4位、8位、16位和32位。在GR-SAKURA中使用的RX63N单片机搭载了32位的CPU,因此也被称为“32位单片机”。那么,单片机所拥有的地址空间容量到底有多少呢?以RX63N为例,由于是32位的CPU,因此最大能够指定约40亿(2的32次方)个地址。确切地说是4,294,967,296(4x1024x1024x1024)个地址。由于一个地址可以记忆一个字节,这时也可以表示为具有“4GB(千兆字节)的地址空间”(请参考专栏“计算机的单位”)。地址空间的容量越大越能搭载大容量的存储器, 也可容纳更大的程序。因此能够实现更高功能的应用。

32位字节的CPU所拥有的4G字节的地址空间示例如图1所示。左边所示的是以十六进制标示的地址(参考专栏“表示地址的十六进制指的是什么?”)。由于一列保存有4个字节(=32位),所以左边所标记的地址就是每4个地址的值。

“图1:地址空间及标示例”
图1:地址空间及标示例

计算机的单位:位、字节、兆、千兆和兆兆(太)

数据的基本单位是位(b=bit),每个位的值为"0"或"1"。8位为1个字节(B=Byte)。例如,3个字节(3×8位)等同于24位。

电脑存储设备的容量所使用的单位,大家耳熟能详的有KB(千字节)、MB(兆字节)、GB(千兆字节)和TB(太字节)等。一般情况下会说1GB=1000MB或者这样写出来,但在计算机的世界里,此单位并非为1000倍,而是1024倍(2的10次方),因此正确的表示如下:

1KB(千字节)=2的10次方 = 1,024 字节
1MB(兆字节)=1,024KB = 2的20次方 1,048,576 字节
1GB(千兆字节)=1,024MB = 2的30次方 = 1,073,741,824 字节
1TB(太字节)=1,024GB = 2的40次方 = 1,099,511,627,776字节

表示地址的十六进制指的是什么?

地址空间内的地址以16进制来表示。例如,拥有16位(2的16次方)大小的地址空间中,如果以10进制来表示,就是“从地址0到地址65535”,如果以16进制来表示,则是从“地址0h到地址FFFFh”。在10进制中,每一位所取的值都在0到9之间,而在16进制中,则是0到F(相当于10进制的15)。以16进制表示的数,最后都有一个“h”,标明是以16进制来表示的。

“”

程序保存在哪儿呢?(向量表)

那么,程序被保存在地址空间的什么地方,又是怎么样开始工作的呢?单片机复位后便开始执行最优先程序。复位是在接通电源或接收到复位信号时发生。实际上,这种“开始执行最优先程序”处理中,有如下所示的两种方法。

即开始执行程序时,有将执行程序的起始地址设为固定的CPU及将之设为可变地址的CPU。

在将起始地址设为固定的CPU中,大多是从地址0(地址空间中最小的地址)开始执行。这就是程序开始的地点。而且,有时要事先在地址0中实现写入“下一个要执行的是地址○○”的跳转(Jump)指令,并将程序预先放置在“地址○○”中。如果改写“地址○○”,将可获得与将起始地址设为可变地址同样的效果。

将起始地址设为可变地址的CPU将起始地址写入被称为“向量表”的部分中(图2)。向量表是只存放地址空间中各种起始地址的特定区域的名称。一般来说是它放置在地址空间中最大地址的部分。

“图2:RX63N系列的向量表”
图2:RX63N系列的向量表

以RX63N为例,由于地址是以32位来显示的,为了保存它就需要4个字节。这就意味着图3中的“复位”部分表示从地址FFFFFFFCh到地址FFFFFFFFh的4个字节中保存了程序的起始地址。CPU复位后将读取保存于此的地址,并从作了标记的地址开始执行。被写入向量表的不仅是复位后的起始地址,向量表中还保存发生中断时程序的起始地址和异常处理(Exception Handling)的起始地址。也正因为保存了发生中断及异常处理等因多种事由的起始地址,所以才被称为“表(Table)”。

我们来设想一下使用了向量表的程序处理的情况。图3表示出了发生非屏蔽中断(NMI) (*1) 时的处理流程例。

1、产生NMI,
2、读取写在向量表的NMI的起始地址(此例中为10000000h),
3、执行所读取地址(10000000h)中的NMI程序。

“图3:使用向量表进行处理的流程”
图3:使用向量表进行处理的流程

(*1)非屏蔽中断(NMI):所谓非屏蔽指的是无法禁止的意思。如有中断请求,CPU将无条件地执行中断处理。可用于通过看门狗定时器进行的中断处理等。关于看门狗定时器,在本连载的第2期--“定时器”中已为大家作了介绍。

如上所述,在将程序的起始地址设为可变的CPU中,由于能够通过写入向量表来指定中断处理的起始地址,因此具有在地址空间中自由配置中断处理程序的特征。

本期我们介绍了CPU的地址空间与外设功能的关系、以及程序是从哪里开始执行的等内容。如果单片机为32位,就有非常巨大的地址空间可以使用。内存是非常宝贵的资源,所以将保存在内存中的程序设计得小巧非常重要,但32位单片机的地址空间已比16位的大了很多。为了缩小程序,没有必要进行复杂的编程,我们的程序都是在更易于读取的目标下来编写的。

下期我们将通过说明执行程序时的处理和内存的关系来进一步理解单片机的有效运行。

相关阅读:
有效使用单片机外设功能:(1)GPIO
有效使用单片机外设功能:(2)定时器
有效使用单片机外设功能:(3)串行通信
有效使用单片机外设功能:(4)中断功能

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