微控制器(MCU)如何运行存储在Flash的程序???

忙,太忙了!!!忙完就好了。MCU运行不也就如此?在微控制器单元(MCU)中,我们所编写的程序时通常是存储在闪存(Flash)中。当MCU启动时,它会从闪存中读取程序代码,并将其加载到RAM中执行。

相信基于以上,大家会有几个疑问:

1、既然程序在RAM中运行,那为什么要存储在Flash?为什么不存储在RAM?

2、如果存储在Flash的程序大小比RAM大小还要大,那又如何处理?

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目录

1、程序为什么要存储在Flash?

2、程序为什么不存储在RAM?

3、存储在Flash的程序比RAM大时如何执行程序?

4、如果程序确实超过了RAM的限制,会发生什么?

4.1、性能下降

4.2、内存不足错误

4.3、功能限制

5、微控制器(MCU)运行存储在Flash中的程序时通常有哪些步骤?

5.1、启动和引导

5.2、程序加载

5.3、按需读取

5.4、缓存机制

5.5、分支和跳转

5.6、动态搬运

5.7、循环和重复

5.8、注意事项

6、总结


1、程序为什么要存储在Flash?

解:闪存(Flash)是一种非易失性存储介质,可以确保断电后,存储在其中的数据不会由于断电而丢失,且内存相较于RAM来说大得多,因此闪存(Flash)适合用例存储程序代码。

2、程序为什么不存储在RAM?

解:随机存取存储器(RAM)是一种易失性存储介质,在断电后存储在其中得数据就会丢失,但其读写速度相较于闪存(Flash)来说更快,适合用来数据存储和处理。所以不适合用来永久存储程序;而适合来执行程序。

3、存储在Flash的程序比RAM大时如何执行程序?

解:众所周知,Flash大小往往是RAM的几倍甚至十几倍,那么如果存储在Flash的程序比RAM本身还大时,MCU又当如何运行程序?,大家要相信,我们能想到的前人大多都考虑到了。微控制器(MCU)通常会采用分页或分段技术管理相关内存。

4、如果程序确实超过了RAM的限制,会发生什么?

4.1、性能下降

程序在Flash与RAM中频繁交换代码段;

4.2、内存不足错误

如果程序尝试访问的代码或数据不在RAM中,可能就会引发内存不足的错误;

4.3、功能限制

由于RAM空间的限制,实际代码中不得不较少程序的部分功能。

5、微控制器(MCU)运行存储在Flash中的程序时通常有哪些步骤?

5.1、启动和引导

当MCU上电或复位时,它会从预定义的地址开始执行代码,这个代码一般是引导加载程序(Bootload)的起始地址。引导加载程序负责初始化硬件、配置系统时钟,然后跳转到主程序的起始地址。其实这部分主要涉及到中断向量表的迁移,感兴趣的可以私信作者。

5.2、程序加载

程序的代码存储在Flash中,但并不需要一次性全部加载到RAM,MCU的CPU会根据程序的执行流程,通过程序计数器(PC)指示当前需要执行的指令地址。

5.3、按需读取

当CPU需要执行一个指令时,但此时指令并不在CPU的指令缓存中,那么就会从Flash中读取该指令。控制器负责将指令从Flash存储器中读取出来,并通过数据总线传递给CPU。

5.4、缓存机制

许多MCU都具有指令缓存机制,它可以减少对Flash的访问次数,以提高执行效率。如果指令已经存在于缓存中,那么CPU可以直接从缓存中读取指令,从而无需访问Flash。这里涉及多级缓存相关内容。相关内容见《缓存机制原理及其应用

5.5、分支和跳转

当程序执行到分支(函数调用或跳转指令)时,CPU会更新程序计数器(PC)以指向新地址。如果新地址不在当前缓存的代码段中,CPU可能会需要从Flash中加载新的代码段。

5.6、动态搬运

对于不支持指令缓存的简易MCU,或出现缓存MISS时,CPU会直接从Flash读取指令;对于支持代码搬运的MCU,如果需要执行的代码不在RAM中,操作系统或程序代码会负责将必要的代码段从Flash搬运到RAM中。

5.7、循环和重复

程序执行是一个循环的过程,CPU会不断重复上述步骤,直至程序执行完毕。

5.8、注意事项

以上过程对于不同的MCU可能会有所不同,其依赖于具体的硬件架构、指令集、内存管理单元(MMU)、缓存策略等因素。

6、总结

以上应该是可以帮助大家了解关于存储在Flash的程序至RAM运行的过程,当然,可能涉及其他的知识点(缓存机制、为什么要有缓存?、缓存MISS会发生什么?、多级缓存的目的是什么?又有什么优点?。。。。。。)大家不是很了解,作者会持续更新维护文章,充分将各个知识点进行相关联。这里也解释下为什么不在此文章中做发散,嵌入式领域知识体系之广泛,并不能通过寥寥万字/十几万字可以解释的,其知识体系在兼容的同时是不断更新迭代,做这一行毕生都将持续学习,所以作者只能针对单个知识点逐一讲解。

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