对于ROM与RAM的深度解析

面包板社区 发表于 2018-01-25 10:17:56 收藏 已收藏
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对于ROM与RAM的深度解析

面包板社区 发表于 2018-01-25 10:17:56

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。
对于ROM与RAM的深度解析

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---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---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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