程序的思考(從單片機(jī)到PC)

關(guān)于程序的執(zhí)行，以前想的不多，沒有意識(shí)到一個(gè)程序在運(yùn)行時(shí)，從哪里讀指令，數(shù)據(jù)又寫在哪里。

最近在看CSAPP時(shí)這個(gè)念頭經(jīng)常在腦袋中晃蕩。

從單片機(jī)上知道，在上電的那一刻，MCU的程序指針PC會(huì)被初始化為上電復(fù)位時(shí)的地址，從哪個(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(shí)，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(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)，于是我們看到了Windows，Linux系統(tǒng)啟動(dòng)了。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，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，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)。前者有一個(gè)很大的初始化程序完成很復(fù)雜的初始化，后者有一段不長的匯編代碼完成一些簡(jiǎn)單的初始化。這一點(diǎn)看，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。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;如果不是，則shell假設(shè)他是一個(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)，將在硬盤上的p文件的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存(DDR RAM)中，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，連接與加載，等一些其他東西)，準(zhǔn)備執(zhí)行。

由以上可知，單片機(jī)上的程序和平時(shí)在系統(tǒng)上運(yùn)行的程序，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，都抽象為初始化的話，程序的啟動(dòng)可以簡(jiǎn)化為：建立運(yùn)行環(huán)境+調(diào)用main函數(shù)，這樣程序的執(zhí)行差異是不大的)。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。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，就是沒有弄明白這一點(diǎn)。

由此，以前的一些疑惑也就解開了。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，而在PC上操作系統(tǒng)里運(yùn)行的程序，libc已經(jīng)把這些都做了，只需要調(diào)用就可以了。如果在單片機(jī)上想用動(dòng)態(tài)內(nèi)存，也可以，但是這些代碼要自己去實(shí)現(xiàn)，并定義一個(gè)相應(yīng)的malloc，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，如果不知道它的運(yùn)行方式，估計(jì)會(huì)很危險(xiǎn)。同樣，因?yàn)樵赑C的系統(tǒng)上運(yùn)行的程序與邏機(jī)程序的不同，裸機(jī)程序不會(huì)有動(dòng)態(tài)鏈接，有的只是靜態(tài)鏈接。

關(guān)于程序在執(zhí)行時(shí)，從哪里讀取指令，哪里讀取數(shù)據(jù)，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，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)，從內(nèi)存中讀取指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行和回寫。但是單片機(jī)上只有幾K的RAM，而flash一般有幾十K甚至1M，這個(gè)時(shí)候指令和數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中嗎(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，先入為主以至于認(rèn)為單片機(jī)上也是這樣，還沒有明白其實(shí)RAM和Flash都是內(nèi)存)?這不可能，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，不會(huì)是硬盤，硬盤是保存數(shù)據(jù)的地方;由此類比時(shí)，自己把自己弄暈菜了，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，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(gè)數(shù)量級(jí)，所以拷貝到DDRRAM中。這時(shí)，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，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)。運(yùn)行時(shí)，再將它們拷貝到速度更快的SRAM中，以得到更快的執(zhí)行速度。而對(duì)于，單片機(jī)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(huì)成為程序執(zhí)行的瓶頸(而對(duì)于PC而言，F(xiàn)lash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(zhí)行速度，所以現(xiàn)在CPU工作頻率最快是在2003左右。一個(gè)瓶頸出現(xiàn)了。為了提高CPU的使用率，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，就在同樣的時(shí)間執(zhí)行更多的程序，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，于是多核CPU成為了現(xiàn)在的主流)。所以裸機(jī)程序指令就在Flash(Flash memory)中存放，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)。更廣泛說，在單片機(jī)上RAM存放data段，bss段，堆棧段;ROM(EPROM，EEPROM，F(xiàn)lash等非易失性存儲(chǔ)設(shè)備)存放代碼，只讀數(shù)據(jù)段。本質(zhì)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(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，如果Flash沒有寫入次數(shù)限制，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，一個(gè)Flash低，更節(jié)省成本，對(duì)于生產(chǎn)商更劃算)。

對(duì)于單片機(jī)的程序執(zhí)行時(shí)指令和數(shù)據(jù)的存放與讀取，理解如下：

對(duì)單片機(jī)編程后，程序的代碼段，data段，bss段，rodata段等都存放在Flash中。當(dāng)單片機(jī)上電后，初始化匯編代碼將data段，bss段，復(fù)制到RAM中，并建立好堆棧，開始調(diào)用程序的main函數(shù)。以后，便有了程序存儲(chǔ)器，和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之分，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 ，從RAM中讀取與寫入數(shù)據(jù)。RAM存在的意義就在于速度更快。

無論是單片機(jī)也好，PC也罷，存在的存儲(chǔ)器金字塔都是一致的，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。應(yīng)該說，對(duì)于程序執(zhí)行的理解，就是存儲(chǔ)器金字塔的理解。

注：

那么，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，但是RAM，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。下面對(duì)每種內(nèi)存有一個(gè)簡(jiǎn)短的說明。

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)，它是在內(nèi)存中完成的。RAM是內(nèi)存，反之亦然。

ROM：表示只讀內(nèi)存：微處理器可以讀ROM，但是不能寫入或修改。ROM是永久性的。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。無論何時(shí)，微處理器都可以訪問到存儲(chǔ)在ROM上的信息。因?yàn)檫@些指令不可被擦出，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。我們可以像操作RAM一樣，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。悲劇的是，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。

編輯：admin  最后修改時(shí)間：2022-10-31