单片机与程序设计（上）

　　在《单片机必须了解的外设功能——GPIO/串行通信》和《单片机必须了解的外设功能——定时器/中断功能》中对利用单片机的功能进行程序设计进行了说明。单片机内置了非常便于使用的外设功能，大家一定也能感受到单片机可应对各种要求的能力。但是，如果要有效地运行单片机，程序是不可或缺的，那么程序到底是如何运行的呢？从本期开始，我们将分上下两篇向大家介绍单片机与程序的关系。

　　关注单片机的存储器

　　在此之前，GR-SAKURA电路板（搭载瑞萨电子单片机“RX63N”）的程序设计是使用Web编译器来进行的。将通过编译器搭建的程序（Object Code，结果代码）如同写入U盘一样将之传送到GR-SAKURA电路板后再执行。那么，问题来了。写入（传送到）单片机的程序应该保存在哪儿呢？另外，程序又是如何被执行的呢？在解答这些问题的同时，让我们一起来了解一下单片机与程序的关系吧。

　　首先来了解存储器﹑主存储器和外置存储器的两种作用

　　记忆（保存）程序和数据的地方即存储器。存储器有以下两种类型。

　　

　　外置存储器中的程序需传送到主存储器后才能执行。

　　关于单片机的存储器，常会看到ROM（Read Only Memory：只读存储器）和RAM（Random Access Memory：可读写存储器）等词汇，其实ROM和RAM仅是表示存储器性质，而与存储器的作用无关。（请参考单片机入门①，了解单片机的基本结构和操作）

　　地址空间（内存空间）

　　CPU能够直接进行读写的所有空间被称为“地址空间（或内存空间）”。这个地址空间的每个字节都标注有号码。这个号码称为“地址（address）”，一般以十六进制来表示。上面所介绍过的主存储器都包含在地址空间内。

　　根据不同用途，单片机的CPU已开发出了4位、8位、16位和32位。在GR-SAKURA中使用的RX63N单片机搭载了32位的CPU，因此也被称为“32位单片机”。那么，单片机所拥有的地址空间容量到底有多少呢？以RX63N为例，由于是32位的CPU，因此最大能够指定约40亿（2的32次方）个地址。确切地说是4，294，967，296（4x1024x1024x1024）个地址。由于一个地址可以记忆一个字节，这时也可以表示为具有“4GB（千兆字节）的地址空间”。地址空间的容量越大越能搭载大容量的存储器，也可容纳更大的程序。因此能够实现更高功能的应用。

　　32位字节的CPU所拥有的４G字节的地址空间示例如图1所示。左边所示的是以十六进制标示的地址。由于一列保存有4个字节（=32位），所以左边所标记的地址就是每4个地址的值。

　　

　　计算机的单位：位、字节、兆、千兆和兆兆（太）

　　数据的基本单位是位（b=bit），每个位的值为“0”或“1”。8位为1个字节（B=Byte）。例如，3个字节（3×8位）等同于24位。

　　电脑存储设备的容量所使用的单位，大家耳熟能详的有KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（千兆字节）和TB（太字节）等。一般情况下会说1GB＝1000MB或者这样写出来，但在计算机的世界里，此单位并非为1000倍，而是1024倍（2的10次方），因此正确的表示如下：

　　1KB（千字节）＝2的10次方 ＝ 1，024 字节

　　1MB（兆字节）＝1，024KB ＝ 2的20次方 1，048，576 字节

　　1GB（千兆字节）＝1，024MB ＝ 2的30次方 ＝ 1，073，741，824 字节

　　1TB（太字节）＝1，024GB ＝ 2的40次方 ＝ 1，099，511，627，776字节

　　表示地址的十六进制指的是什么？

　　地址空间内的地址以16进制来表示。例如，拥有16位（2的16次方）大小的地址空间中，如果以10进制来表示，就是“从地址0到地址65535”，如果以16进制来表示，则是从“地址0h到地址FFFFh”。在10进制中，每一位所取的值都在0到9之间，而在16进制中，则是0到F（相当于10进制的15）。以16进制表示的数，最后都有一个“h”，标明是以16进制来表示的。

　　

　　程序保存在哪儿呢？（向量表）

　　那么，程序被保存在地址空间的什么地方，又是怎么样开始工作的呢？单片机复位后便开始执行最优先程序。复位是在接通电源或接收到复位信号时发生。实际上，这种“开始执行最优先程序”处理中，有如下所示的两种方法。

　　即开始执行程序时，有将执行程序的起始地址设为固定的CPU及将之设为可变地址的CPU。

　　在将起始地址设为固定的CPU中，大多是从地址0（地址空间中最小的地址）开始执行。这就是程序开始的地点。而且，有时要事先在地址0中实现写入“下一个要执行的是地址○○”的跳转（Jump）指令，并将程序预先放置在“地址○○”中。如果改写“地址○○”，将可获得与将起始地址设为可变地址同样的效果。

　　将起始地址设为可变地址的CPU将起始地址写入被称为“向量表”的部分中（图2）。向量表是只存放地址空间中各种起始地址的特定区域的名称。一般来说是它放置在地址空间中最大地址的部分。

　　

　　以RX63N为例，由于地址是以32位来显示的，为了保存它就需要4个字节。这就意味着图3中的“复位”部分表示从地址FFFFFFFCh到地址FFFFFFFFh的4个字节中保存了程序的起始地址。CPU复位后将读取保存于此的地址，并从作了标记的地址开始执行。被写入向量表的不仅是复位后的起始地址，向量表中还保存发生中断时程序的起始地址和异常处理（Exception Handling）的起始地址。也正因为保存了发生中断及异常处理等因多种事由的起始地址，所以才被称为“表（Table）”。

　　我们来设想一下使用了向量表的程序处理的情况。图3表示出了发生非屏蔽中断（NMI） （*1） 时的处理流程例。

　　（1）产生NMI，

　　（2）读取写在向量表的NMI的起始地址（此例中为10000000h），

　　（3）执行所读取地址（10000000h）中的NMI程序。

　　

　　（*1）非屏蔽中断（NMI）：所谓非屏蔽指的是无法禁止的意思。如有中断请求，CPU将无条件地执行中断处理。可用于通过看门狗定时器进行的中断处理等。关于看门狗定时器，在连载的“定时器”中已为大家作了介绍。

　　如上所述，在将程序的起始地址设为可变的CPU中，由于能够通过写入向量表来指定中断处理的起始地址，因此具有在地址空间中自由配置中断处理程序的特征。

　　本期我们介绍了CPU的地址空间与外设功能的关系、以及程序是从哪里开始执行的等内容。如果单片机为32位，就有非常巨大的地址空间可以使用。内存是非常宝贵的资源，所以将保存在内存中的程序设计得小巧非常重要，但32位单片机的地址空间已比16位的大了很多。为了缩小程序，没有必要进行复杂的编程，我们的程序都是在更易于读取的目标下来编写的。