51单片机程序执行流程详细分析

单片机执行程序的过程，侧重硬件过程

为了加深初学者对51单片机指令的理解，现在把指令执行的过程在此详细说明，希望对你有启发！ 单片机执行程序的过程，实际上就是执行我们所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。 取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。 分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。 

计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。 一般计算机进行工作时，首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器，然后逐条取出执行。但单片机中的程序一般事先我们都已通过写入器固化在片内或片外程序存储器中。因而一开机即可执行指令。 下面我们将举个实例来说明指令的执行过程： 开机时，程序计算器PC变为0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令（取出存储器中事先存放的指令阶段）和执行指令（分析和执行指令）的循环过程。 例如执行指令：MOV A,#0E0H，其机器码为“74H E0H”，该指令的功能是把操作数E0H送入累加器， 0000H单元中已存放74H，0001H单元中已存放E0H。当单片机开始运行时，首先是进入取指阶段，其次序是： 

1. 程序计数器的内容（这时是0000H）送到地址寄存器； 2. 程序计数器的内容自动加1（变为0001H）； 3. 地址寄存器的内容（0000H）通过内部地址总线送到存储器，以存储器中地址译码电跟，使地址为0000H的单元被选中； 4. CPU使读控制线有效； 5. 在读命令控制下被选中存储器单元的内容（此时应为74H）送到内部数据总线上，因为是取指阶段，所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。至此，取指阶段完成，进入译码分析和执行指令阶段。 

由于本次进入指令寄存器中的内容是74H（操作码），以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到A累加器，而该数是在这个代码的下一个存储单元。所以，执行该指令还必须把数据（E0H）从存储器中取出送到CPU，即还要在存储器中取第二个字节。

其过程与取指阶段很相似，只是此时PC已为0001H。指令译码器结合时序部件，产生74H操作码的微操作系列，使数字E0H从0001H单元取出。因为指令是要求把取得的数送到A累加器，所以取出的数字经内部数据总线进入A累加器，而不是进入指令寄存器。至此，一条指令的执行完毕。

单片机中PC="0002H"，PC在CPU每次向存储器取指或取数时自动加1，单片机又进入下一取指阶段。这一过程一直重复下去，直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU就是这样一条一条地执行指令，完成所有规定的功能。 

51单片机程序执行流程详细分析

单片机是没有操作系统的东西，在keil中编写的代码都是裸机代码，即你写的代码就类似是操作系统，深入编写裸机代码有助于了解硬件的特性。

若不是硬件特性已定的情况之下的其它流程都是代码作祟。忽然想到来探探51单片机的执行流程。这个念头起源于最初见到每个51程序里面的主函数里面最终都挂一个while(1);语句。为何要加一句while死循环让程序停留在main函数中呢。将while(1);语句去掉有什么影响么?

写一个很简单的程序试一下。

执行以上程序，由P1端口控制的流水灯闪了一下。程序最终进入while(1);里纠缠去了，这个到好解释。

现将while(1);语句屏蔽掉。我还以为程序不能被正确执行了呢，因为退出了main主函数，就像Render需要循环来实现一样(尽管刚刚闪灯的程序不在循环之内，但我还是不由产生了这一错觉)。程序执行的结果是：流水灯不停的闪烁!

看到这个现象后的猜想及动作^-^：

(1) 这块板坏了吧!(在带操作系统如linux字符界面下运行一个不带死循环的C语言文件完毕后就会返回到linux shell程序中)。赶紧换个板再测试一下，显然还是一样的结果。

(2) 单片机中将一直执行main函数中的最后一个(些)语句?(基于带OS平台下运行标准C语言文件的经验，可从来没有想过是main函数被多次调用或多次进入)

(3) 单片机内将C语言指令取出来加载到单片机内，单片机内自动生成一个主程序循环执行C语言中main函数的内容?(虽然很荒唐，还是想了)

(4) 赶快谷歌百度一下单片机的执行流程(虽然在谷歌百度时以“51单片机程序执行流程”搜索，没有搜到相关内容)。换朴实的搜索词：“51单片机 main”。然后就出现跟我一样带有疑问的问题：为什么main函数中不加while(1);语句之后程序会反复执行呢?回答的关键词包括“程序跑飞、看门狗、复位”。

(5) 趁上嵌入式的机会将“51单片机程序执行流程”搬出来并向老师讲述了我所写程序的得到的现象，包括我怎么验证呀等等。

老师的回答：Keil C51程序自动加载了一个名为”STARTUP.A51”的文件，在这个文件里面进行了一系列的初始化操作后进入用户编写的C语言程序入口main函数中，main函数执行完毕后，STARTUP.A51文件后有一句跳转到程序入口main函数的语句，所以会再次进入C语言主程序main函数中执行相关内容。

然后我用keil软件模拟了运行一下以上那一段代码：

程序开始运行就在程序入口main函数的第一条语句之处，Disassembly窗口是c语言代码与汇编代码相对应的窗口，前面是地址，后面的是C语言对应的汇编语句。下面的窗口是相应文件的运行代码的位置，由黄色箭头指向当前正要执行的代码。然后点击单步运行工具条，指导跳出main函数为止，程序跳转到STARTUP.A51中的以下代码位置：

继续点击单步调试直到进入一个循环中：

这里是一个循环，根据DJNZ指令的功能：每执行一次DJNZ RO, IDATALOOP就将R0的值减1，若R0的值不为0则就跳到IDATALOOP地址去。很显然这是一个循环，那么RO的值是多少呢，在以下窗口显示：

可见r0的初值为0x7f，这里将要循环0x7f(128)次，具体在这里r0值的含义可查看一下子的。那么在这个循环之后程序又将去哪里呢?跳过这个循环后程序运行的地方如下：

再单步运行一次：

根据Disassembly的内容，此条语句执行了就又要回到main函数中去了，执行一下试试：

是的!

所以，在51单片机中，程序的执行流程就是会不断( 以r0的值作为延迟条件， 具体含义可继续探索 )的进入main函数中执行main函数中的代码。

为什么我们在linux等上面运行不带死循环的C语言代码后程序就会自行终止呢?这是不同的操作流程：

(1) C51单片机不带OS(操作系统)，代码的执行形势在此看来就由STARTUP.A51来安排了，没有一个更大的程序来管理怎么调用main函数。

(2) 像Linux这类的平台是带了OS的，运行一个C语言程序对linux来说就是一个任务，除了运行C语言程序这个任务外还有其它的任务。当运行一个C语言程序完毕时，此次的任务也算是完成了。如在linux shell界面运行一个文件名为“hello.c”功能为输出“hello world!”的C语言程序,过程如下：

编译：gcc hello.c –o hello

运行：./hello

在运行hello可执行文件时，可以当做是shell调用了hello这个可执行程序。在hello运行完毕后，将返回值等返回给shell界面。整个C语言文件的生死全有linux shell程序管理。