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单片机的ROM与RAM

2016-11-02 12:19:17 | 人围观 | 评论:

ROM：（Read Only Memory）程序存储器
在单片机中用来存储程序数据及常量数据或变量数据，凡是c文件及h文件中所有代码、全局变量、局部变量、’const’限定符定义的常量数据、startup.asm文件中的代码（类似ARM中的bootloader或者X86中的BIOS，一些低端的单片机是没有这个的）通通都存储在ROM中。
RAM：（Random Access Memory）随机访问存储器
用来存储程序中用到的变量。凡是整个程序中，所用到的需要被改写的量，都存储在RAM中，“被改变的量”包括全局变量、局部变量、堆栈段。
程序经过编译、汇编、链接后，生成hex文件。用专用的烧录软件，通过烧录器将hex文件烧录到ROM中（究竟是怎样将hex文件传输到MCU内部的ROM中的呢？），因此，这个时候的ROM中，包含所有的程序内容：无论是一行一行的程序代码，函数中用到的局部变量，头文件中所声明的全局变量，const声明的只读常量，都被生成了二进制数据，包含在hex文件中，全部烧录到了ROM里面，此时的ROM，包含了程序的所有信息，正是由于这些信息，“指导”了CPU的所有动作。
可能有人会有疑问，既然所有的数据在ROM中，那RAM中的数据从哪里来？什么时候CPU将数据加载到RAM中？会不会是在烧录的时候，已经将需要放在RAM中数据烧录到了RAM中？
要回答这个问题，首先必须明确一条：ROM是只读存储器，CPU只能从里面读数据，而不能往里面写数据，掉电后数据依然保存在存储器中；RAM是随机存储器，CPU既可以从里面读出数据，又可以往里面写入数据，掉电后数据不保存，这是条永恒的真理，始终记挂在心。
清楚了上面的问题，那么就很容易想到，RAM中的数据不是在烧录的时候写入的，因为烧录完毕后，拔掉电源，当再给MCU上电后，CPU能正常执行动作，RAM中照样有数据，这就说明：RAM中的数据不是在烧录的时候写入的，同时也说明，在CPU运行时，RAM中已经写入了数据。关键就在这里：这个数据不是人为写入的，CPU写入的，那CPU又是什么时候写入的呢？听我娓娓道来。
上回说到，ROM中包含所有的程序内容，在MCU上电时，CPU开始从第1行代码处执行指令。这里所做的工作是为整个程序的顺利运行做好准备，或者说是对RAM的初始化（注：ROM是只读不写的），工作任务有几项：
1、为全局变量分配地址空间---à如果全局变量已赋初值，则将初始值从ROM中拷贝到RAM中，如果没有赋初值，则这个全局变量所对应的地址下的初值为0或者是不确定的。当然，如果已经指定了变量的地址空间，则直接定位到对应的地址就行，那么这里分配地址及定位地址的任务由“连接器”完成。
2、设置堆栈段的长度及地址---à用C语言开发的单片机程序里面，普遍都没有涉及到堆栈段长度的设置，但这不意味着不用设置。堆栈段主要是用来在中断处理时起“保存现场”及“现场还原”的作用，其重要性不言而喻。而这么重要的内容，也包含在了编译器预设的内容里面，确实省事，可并不一定省心。平时怎么就没发现呢？奇怪。
3、分配数据段data，常量段const，代码段code的起始地址。代码段与常量段的地址可以不管，它们都是固定在ROM里面的，无论它们怎么排列，都不会对程序产生影响。但是数据段的地址就必须得关心。数据段的数据时要从ROM拷贝到RAM中去的，而在RAM中，既有数据段data,也有堆栈段stack，还有通用的工作寄存器组。通常，工作寄存器组的地址是固定的，这就要求在绝对定址数据段时，不能使数据段覆盖所有的工作寄存器组的地址。必须引起严重关注。
这里所说的“第一行代码处”，并不一定是你自己写的程序代码，绝大部分都是编译器代劳的，或者是编译器自带的demo程序文件。因为，你自己写的程序（C语言程序）里面，并不包含这些内容。高级一点的单片机，这些内容，都是在startup的文件里面。仔细阅读，有好处的。
通常的做法是：普通的flashMCU是在上电时或复位时，PC指针里面的存放的是“0000”，表示CPU从ROM的0000地址开始执行指令，在该地址处放一条跳转指令，使程序跳转到_main函数中，然后根据不同的指令，一条一条的执行，当中断发生时（中断数量也很有限，2~5个中断），按照系统分配的中断向量表地址，在中断向量里面，放置一条跳转到中断服务程序的指令，如此如此，整个程序就跑起来了。决定CPU这样做，是这种ROM结构所造成的。
其实，这里面，C语言编译器作了很多的工作，只是，你不知道而已。如果你仔细阅读编译器自带的help文件就会知道很多的事情，这是对编译器了解最好的途径。
I/O口寄存器：
也是可以被改变的量，它被安排在一个特别的RAM地址，为系统所访问，而不能将其他变量定义在这些位置。
中断向量表：
中断向量表是被固定在MCU内部的ROM地址中，不同的地址对应不同的中断。每次中断产生时，直接调用对应的中断服务子程序，将程序的入口地址放在中断向量表中。
ROM的大小问题：
对于flash类型的MCU，ROM空间的大小通常都是整字节的，即为ak*8bits。这很好理解，一眼就知道，ROM的空间为aK。但是，对于某些OTP类型的单片机，比如holtek或者sonix公司的单片机，经常看到数据手册上写的是“OTP progarming ROM  2k*15bit。。。。。”，可能会产生疑惑，这个“15bit”认为是1个字节有余，2个字节又不足，那这个ROM空间究竟是2k，多于2k，还是4k但是少了一点点呢？
这里要明确两个概念：一个是指令的位宽，另一个是指令的长度。指令的位宽是指一条指令所占的数据位的宽度；有些是8位位宽，有些是15位位宽。指令长度是指每条指令所占的存储空间，有1个字节，有2个字节的，也有3个字节甚至4个字节的指令。这个可以打个形象的比方：我们做广播体操时，有很多动作要做，但是每个复杂的动作都可以分解为几个简单的动作。例如，当做伸展运动时，我们只听到广播里面喊“2、2、3、4、5、6、7、8”，而这里每一个数字都代表一个指令，听到“3”这个指令后，我们的头、手、腰、腿、脚分别作出不同的动作：两眼目视前方，左手叉腰，右手往上抬起，五指伸直自然并拢打开，右腿伸直，左腿成弓步・・・・・・等等一系列的分解动作，而要做完这些动作的指令只有一个“3”，要执行的动作却又很多，于是将多个分解动作合并成一个指令，而每个分解动作的“位宽”为15bits。实事上也确实如此，当在反汇编或者汇编时，可以看到，复合指令的确是有简单的指令组合起来的。
到此，回答前面那个问题，这个OTP的ROM空间应该是2K,指令位宽为15位。一般的，当指令位宽不是8的倍数时，则说明该MCU的大部分指令长度是一个字节（注：该字节宽度为15位，不是8位），极少数为2个或多个字节，虽然其总的空间少，但是其能容下的空间数据并不少。




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