單片機與程序設計（上）
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在此之前，GR-SAKURA電路板(搭載瑞薩電子單片機“RX63N”)的程序設計是使用Web編譯器來(lái)進(jìn)行的。將通過(guò)編譯器搭建的程序(Object Code，結果代碼)如同寫(xiě)入U盤(pán)一樣將之傳送到GR-SAKURA電路板后再執行。那么，問(wèn)題來(lái)了。寫(xiě)入(傳送到)單片機的程序應該保存在哪兒呢?另外，程序又是如何被執行的呢?在解答這些問(wèn)題的同時(shí)，讓我們一起來(lái)了解一下單片機與程序的關(guān)系吧。
記憶(保存)程序和數據的地方即存儲器。存儲器有以下兩種類(lèi)型。
外置存儲器中的程序需傳送到主存儲器后才能執行。
關(guān)于單片機的存儲器，常會(huì )看到ROM(Read Only Memory：只讀存儲器)和RAM(Random Access Memory：可讀寫(xiě)存儲器)等詞匯，其實(shí)ROM和RAM僅是表示存儲器性質(zhì)，而與存儲器的作用無(wú)關(guān)。(請參考單片機入門(mén)①，了解單片機的基本結構和操作)
地址空間(內存空間)
CPU能夠直接進(jìn)行讀寫(xiě)的所有空間被稱(chēng)為“地址空間(或內存空間)”。這個(gè)地址空間的每個(gè)字節都標注有號碼。這個(gè)號碼稱(chēng)為“地址(address)”，一般以十六進(jìn)制來(lái)表示。上面所介紹過(guò)的主存儲器都包含在地址空間內。
根據不同用途，單片機的CPU已開(kāi)發(fā)出了4位、8位、16位和32位。在GR-SAKURA中使用的RX63N單片機搭載了32位的CPU，因此也被稱(chēng)為“32位單片機”。那么，單片機所擁有的地址空間容量到底有多少呢?以RX63N為例，由于是32位的CPU，因此最大能夠指定約40億(2的32次方)個(gè)地址。確切地說(shuō)是4，294，967，296(4x1024x1024x1024)個(gè)地址。由于一個(gè)地址可以記憶一個(gè)字節，這時(shí)也可以表示為具有 “4GB(千兆字節)的地址空間”。地址空間的容量越大越能搭載大容量的存儲器，也可容納更大的程序。因此能夠實(shí)現更高功能的應用。
32位字節的CPU所擁有的4G字節的地址空間示例如圖1所示。左邊所示的是以十六進(jìn)制標示的地址。由于一列保存有4個(gè)字節(=32位)，所以左邊所標記的地址就是每4個(gè)地址的值。
計算機的單位：位、字節、兆、千兆和兆兆(太)
數據的基本單位是位(b=bit)，每個(gè)位的值為“0”或“1”。8位為1個(gè)字節(B=Byte)。例如，3個(gè)字節(3×8位)等同于24位。
電腦存儲設備的容量所使用的單位，大家耳熟能詳的有KB(千字節)、MB(兆字節)、GB(千兆字節)和TB(太字節)等。一般情況下會(huì )說(shuō) 1GB=1000MB或者這樣寫(xiě)出來(lái)，但在計算機的世界里，此單位并非為1000倍，而是1024倍(2的10次方)，因此正確的表示如下：
1KB(千字節)=2的10次方 = 1，024 字節
1MB(兆字節)=1，024KB = 2的20次方 1，048，576 字節
1GB(千兆字節)=1，024MB = 2的30次方 = 1，073，741，824 字節
1TB(太字節)=1，024GB = 2的40次方 = 1，099，511，627，776字節
表示地址的十六進(jìn)制指的是什么?
地址空間內的地址以16進(jìn)制來(lái)表示。例如，擁有16位(2的16次方)大小的地址空間中，如果以10進(jìn)制來(lái)表示，就是“從地址0到地址65535”，如果以16進(jìn)制來(lái)表示，則是從“地址0h到地址FFFFh”。在10進(jìn)制中，每一位所取的值都在0到9之間，而在16進(jìn)制中，則是0到F(相當于10進(jìn)制的15)。以16進(jìn)制表示的數，最后都有一個(gè)“h”，標明是以16進(jìn)制來(lái)表示的。
程序保存在哪兒呢?(向量表)
那么，程序被保存在地址空間的什么地方，又是怎么樣開(kāi)始工作的呢?單片機復位后便開(kāi)始執行最優(yōu)先程序。復位是在接通電源或接收到復位信號時(shí)發(fā)生。實(shí)際上，這種“開(kāi)始執行最優(yōu)先程序”處理中，有如下所示的兩種方法。
即開(kāi)始執行程序時(shí)，有將執行程序的起始地址設為固定的CPU及將之設為可變地址的CPU。
在將起始地址設為固定的CPU中，大多是從地址0(地址空間中最小的地址)開(kāi)始執行。這就是程序開(kāi)始的地點(diǎn)。而且，有時(shí)要事先在地址0中實(shí)現寫(xiě)入“下一個(gè)要執行的是地址○○”的跳轉(Jump)指令，并將程序預先放置在“地址○○”中。如果改寫(xiě)“地址○○”，將可獲得與將起始地址設為可變地址同樣的效果。
將起始地址設為可變地址的CPU將起始地址寫(xiě)入被稱(chēng)為“向量表”的部分中(圖2)。向量表是只存放地址空間中各種起始地址的特定區域的名稱(chēng)。一般來(lái)說(shuō)是它放置在地址空間中最大地址的部分。
以RX63N為例，由于地址是以32位來(lái)顯示的，為了保存它就需要4個(gè)字節。這就意味著(zhù)圖3中的“復位”部分表示從地址FFFFFFFCh到地址 FFFFFFFFh的4個(gè)字節中保存了程序的起始地址。CPU復位后將讀取保存于此的地址，并從作了標記的地址開(kāi)始執行。被寫(xiě)入向量表的不僅是復位后的起始地址，向量表中還保存發(fā)生中斷時(shí)程序的起始地址和異常處理(Exception Handling)的起始地址。也正因為保存了發(fā)生中斷及異常處理等因多種事由的起始地址，所以才被稱(chēng)為“表(Table)”。
我們來(lái)設想一下使用了向量表的程序處理的情況。圖3表示出了發(fā)生非屏蔽中斷(NMI) (*1) 時(shí)的處理流程例。
(1)產(chǎn)生NMI，
(2)讀取寫(xiě)在向量表的NMI的起始地址(此例中為10000000h)，
(3)執行所讀取地址(10000000h)中的NMI程序。
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