嵌入式系统程序运行的相关问题解答

问题1：FLASH中的代码是如何得到运行的呢？比如PC指针是在哪里由谁设置的？

以ARM为例：

ARM-cortex-M3/4的单片机（比如STM32 等）：该类单片机的代码在nor flash中，cortex内核可以直接运行，不需要将代码加载到ram中运行。

ARM-cortex-A系列的SOC（比如Exynos4412）：该类SOC更加复杂，通常有内存管理单元（MMU），代码存储在nand flash中，程序运行时，需要先将代码加载到ram中运行，该类SOC的启动环节包含了加载程序。就像Windows操作系统存储在硬盘中，开机的时候，操作系统的代码会加载到内存条（RAM）中。

PC指针：无论什么单片机或者SOC，都有一个PC寄存器，这个寄存器保存了下一条待取指令的地址。正常情况下自动加“4”，遇到分支跳转的时候，由跳转指令设置值。那么指针是什么？指针是一个变量的地址，在含有操作系统（比如Linux、Windows）即硬件层面含有内存管理单元（MMU）的情况下，指针是虚拟地址，不含操作系统的情况下，是物理地址，虚拟地址和物理地址经过MMU转换。

问题2：这些代码需要搬到RAM中才能运行吗？不这样做会有什么不妥吗？

上文讲了，大部分单片机的代码直接在nor flash中运行，少部分需要加载到ram中。nor flash可以直接寻址一个字节，可以找到一个指令的具体地址，因此可以直接运行。nand flash 的存储单元是块，不能对指令直接寻址，因此不能直接运行其中的代码。因此保存在nand flash中的程序不加载到ram中运行不了。即你的硬盘中的Windows不加载到内存条中，运行不起来。

问题3：如果需要搬到RAM，那是片内还是片外有什么区别吗？

片内片外都可以，具体看是那款SOC或CPU了。

问题4：如果用户存在FLASH的实际代码大小（比如1MB），超过了RAM的可用空间（比如512KB），那这个搬移过程是啥样的？

现在实际情况很少遇到这种情况，当然可能会有RAM很小的系统，可以分时分段的使用，即程序运行一段，加载一段，运行完，加载下一段。很不建议这样玩，现在的RAM很大了，你的实际代码达到1MB的时候，你的内存可能都有1G，2G了。比如Linux操作系统编译完后，实际上只有几MB，实际的Linux系统会有几个G 的内存可用。

问题5：片外扩展的FLASH和SRAM与片内的想比，除了空间大小有差别，性能速度上会有怎样的差异呢？

具体要看SOC的总线设计。一般来说片外的性能弱一点。

能不能在Flash中直接运行程序代码，取决于Flash的访问特性。

Flash存储器是按块组织的，在使用时也倾向于按块访问才更加高效。Flash类似于ROM一类的存储器，但它其实是可读可写的，不同于同样可读可写的RAM，它在写入数据时需要先将你所写位置所属的块擦除，不管你是不是只写几个字节，所以如果要改写Flash中的数据，总是会先将数据所属的块缓存到内存中，然后再在内存中改写好数据后又重新将块写回，这样就不会丢失数据，但是花销太大。读的时候，往往也是先定位块的位置，然后在块中顺序读取，在不同块中间断读取数据是非常低效的，所以按块读按块写是Flash的一大特点，它不能够随意的对存储区域寻址，典型的如NAND Flash。

不过有一类Flash存储器在读取数据时可以做到任意的寻址而不会有太大的花销，它的读操作是接近于RAM的，而写操作依然延续了按块擦除然后再按块写的特点，典型的如NOR Flash。

所以正因为这样的特性，Flash通常用于存储不需要频繁改动的掉电不能丢失的数据。

介绍完背景知识，回到问题：

首先要清楚的是，CPU需要在存储器中读取指令，指令地址由PC寄存器给出，每执行完一条指令PC会自动的指向下一条指令，如果指令的长度不等会使得给出的地址不总是有一致的对齐，其次程序运行总会伴随跳转，这使得指令的寻址更具有随意性，所以说要直接在某种存储器中执行程序，至少读取数据时要能够任意寻址，而NOR Flash是刚好能满足要求的，市面上常见的MCU内置的Flash就是这种类型，所以能够直接在上面运行存储的程序，而不需要加载到RAM中。其他不具备这种访问特性的存储器是不能直接在上面执行程序的，必须转移到满足这种特性的存储器当中执行，比如加载到RAM。

1、FLASH中的代码是如何得到运行的呢？比如PC指针是在哪里由谁设置的？

采用cortex- m内核的MCU会根据外部启动配置引脚的电平，将启动存储器映射到0x00000000地址，如果是在Flash启动，在内部Flash的起始位置会存储一张异常中断向量表，表中的第一项和第二项存储了初始的栈地址和复位向量，这张表的位置是可配置的，而复位后的位置正是在0x00000000地址。硬件上电复位后，SP，PC寄存器会自动依次设置为表中的前两项，然后根据PC设置的初始值开始执行代码，所以说PC的值是在复位时是自动设置的。

2、这些代码需要搬到RAM中才能运行吗？不这样做会有什么不妥吗？

正如前面叙述的，并不必要。在RAM中执行可能会得到更好的执行性能，但是对于MCU内部的Nor Flash来说是没有必要的。有一点要提及的是，程序一般会由代码段txt，只读数据段rodata，初始化数据段data和未初始化数据段bss(并无数据)组成，只读数据段因为和代码段一样不需要改动，所以可以留在Flash当中 ，但是需要将也存储在Flash中的data段加载到RAM中以及空出空间给bss。这是运行环境的初始化，是有搬运的，只是搬运的不是代码，这发生在进入main函数之前。

3、如果需要搬到RAM，那是片内还是片外有什么区别吗？

在片内的RAM性能会更好，但是容量一般不能做的太大。

4、如果用户存在FLASH的实际代码大小（比如1MB），超过了RAM的可用空间（比如512KB），那这个搬移过程是啥样的？

是可以分阶段加载执行的，但是对程序的组织会变得复杂，运行变得低效，如果出现了这种情况应该考虑更换硬件配置或者对程序优化裁剪。

5、片外扩展的FLASH和SRAM与片内的想比，除了空间大小有差别，性能速度上会有怎样的差异呢？

这取决于存储器的时钟速率和访问延迟，集成在内部的存储器性能一般是能比片外的更好的，所以要使程序有更高的运行性能应该优先使用内部存储器。低端MCU由于运行速率低，内部和外部不会有太大的区别。

可以从以下三个方面可以回答这个问题：

1、计算机组成原理

  冯诺依曼模型   计算机专业的同学对这张图一定不陌生，这是最经典的计算机模型，现在所有的计算机设备（当然也包括嵌入式）都没有跳出这个模型。里面的五项可以分为三部分：（1）CU和ALU是CPU（2）Memory是内存设备（理想的内存设备）（3）Input和Output是各种外设设备（键盘、鼠标、显示器······）。   我们这里关注的点是内存设备。冯诺依曼模型中将Memory想象成理想内存设备。所谓理想内存设备就是可读可写、非易失、随机读写。对于理论模型来说，简介易懂是关键。但是在现实中却没有这么理想，受限于成本，不同的存储器只能满足部分指标，这就是接下来要说的主流存储器。

  2、主流存储器的特点  

现在的存储器可以大致分为两类：RAM和ROM。关于这两类存储器的具体定义和发展历程已经有很多总结，这里就不再赘述，只从我个人的角度谈一下对这两类存储器的理解。   （1）RAM，具体可以分为SRAM和DRAM   共同特点（RAM的根本特点）：可读可写、随机读写   区别：SRAM上电即可用，DRAM需要初始化后才能使用，并且SRAM单位成本高于DRAM。   （2）ROM，具体可分为硬盘、Flash（NOR Flash和NAND Flash）   共同特点：非易失   区别：硬盘和NAND Flash都是整块读写、NOR Flash可以随机读，但是需要整块写。   NOR Flash非易失、随机读的特性让它可以作为系统的启动介质。  

3、CPU与存储器之间的速度差异是现在制约计算机性能的主要原因。  

4、具体到上面5个问题   （1）具体要看是什么Flash，如果是NOR Flash，那么系统可以直接访问执行。如果是NAND Flash，则需要将代码加载到RAM中再运行。PC寄存器在CPU中，在CPU上电时由硬件设置一个特定的值（例如：ARM Cortex-M3的PC寄存器上电默认是0x4）。   （2）和第一问一样，需不需要搬移代码要看Flash类型。   （3）如果是相同类型的RAM，片内和片外没有区别。如果RAM类型不同，就需要具体情况具体分析。   （4）这里假设Flash是1MB，RAM是512KB，猜测应该是NOR Flash和SRAM（例如STM32），则代码不需要搬移。如果是NAND Flash，一般会和DRAM搭配，容量会大很多，应该假设不成立。  

编辑：黄飞