單片機程式在記憶體和FLASH中的空間分配

本文轉載於的tietao的博客！！！http://blog.csdn.net/tietao/article/details/8172411

*******防止自己忘記，固備之。

　　一句話：基於速度問題，電腦使用硬碟存儲程式，運行時，在記憶體中分配空間給變數，載入程式到記憶體中，在記憶體中執行程式。單片機使用FLASH 存儲程式，運行時，不會將程式載入到記憶體中，在FLASH中執行程式，在記憶體RAM中給變數分配空間。

　　沒理解的繼續往下看！！！

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關於程式的執行，以前想的不多，沒有意識到一個程式在運行時，從哪裡讀指令，數據又寫在哪裡。

從單片機上知道，在上電的那一刻，MCU的程式指針PC會被初始化為上電覆位時的地址，從哪個地址處讀取將要執行的指令，由此程式在MCU上開始執行（當然在調用程式的 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，最後，調用系統的初始化函數，將控制權交給了操作系統，於是我們看到了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式（就是直接在硬體上跑的程式，因為操作系統就是直接跑在CPU上的，這樣看待是可以的，不過這個裸機程式功能很多，很強大），那麼操作系統的啟動很像MCU程式的啟動。前者有一個很大的初始化程式完成很複雜的初始化，後者有一段不長的彙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。

如果是系統上的程式啟動呢？它們是由系統來決定的。Linux上在shell下輸入./p後，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），然後調用一些相關的函數，將在硬碟上的p文件的內容拷貝到記憶體（DDR RAM）中，並建立一個它的運行環境（當然這裡邊還有記憶體映射，虛擬記憶體，連接與載入，等一些其他東西），準備執行。

由以上可知，單片機上的程式和平時在系統上運行的程式，在啟動時差異是很大的（如果將程式調用main以前的動作，都抽象為初始化的話，程式的啟動可以簡化為：建立運行環境+調用main函數，這樣程式的執行差異是不大的）。因為單片機上跑的程式（裸機程式），是和操作系統一樣跑在硬體上的，它們屬於一個層次的。過去之所以沒有區分出單片機上的程式和PC機上的程式的一些差異，就是沒有弄明白這一點。

由此，以前的一些疑惑也就解開了。為什麼在單片機上的程式不怎麼使用malloc，而PC上經常使用？因為單片機上沒有已經寫好的記憶體管理演算法的代碼，而在PC上操作系統里運行的程式，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記憶體，也可以，但是這些代碼要自己去實現，並定義一個相應的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記憶體十分有限，如果不知道它的運行方式，估計會很危險。同樣，因為在PC的系統上運行的程式與邏機程式的不同，裸機程式不會有動態鏈接，有的只是靜態鏈接。

關於程式在執行時，從哪裡讀取指令，哪裡讀取數據，也曾因為沒有弄清楚系統上的程式和裸機程式之間的區別，而疑惑了很久。雖然在《微型電腦原理》課上知道程式運行時，從記憶體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記憶體中嗎（這裡指的記憶體僅指RAM，因為PC上我們常說的記憶體就是DDR RAM memory，先入為主以至於認為單片機上也是這樣，還沒有明白其實RAM和Flash都是記憶體）？這不可能，因為課上老師只說記憶體，但是PC上記憶體一般就是DDR RAM，不會是硬碟，硬碟是保存數據的地方；由此類比時，自己把自己弄暈菜了，單片機的RAM對應於DDR RAM，那Flash是不是就對應於硬碟了呢？在CSAPP上明白了，PC上之所以都在DDR RAM上，是速度的因素。硬碟的速度太慢，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，一個程式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（這是由操作系統的記憶體管理機制決定的）。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。而對於，單片機而言工作頻率也就幾M，幾十M，從Flash中與從RAM中讀的差異可能並不明顯，不會成為程式執行的瓶頸（而對於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，於是再提高工作頻率也提高不了程式的執行速度，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式的執行時間，就在同樣的時間執行更多的程式，一個核執行一段程式，兩個核就可以執行兩段程式，於是多核CPU成為了現在的主流）。所以裸機程式指令就在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上程式都在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（直接相當於PC上的DDRRAM）？這樣成本也會比一個RAM，一個Flash低，更節省成本，對於生產商更划算）。

對於單片機的程式執行時指令和數據的存放與讀取，理解如下：
對單片機編程後，程式的代碼段，data段，bss段，rodata段等都存放在Flash中。當單片機上電後，初始化彙編代碼將data段，bss段，複製到RAM中，並建立好堆棧，開始調用程式的main函數。以後，便有了程式存儲器，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存在的意義就在於速度更快。
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，對於它們的理解，就是存儲器金字塔的理解。