单片机程序的执行原理_单片机程序原理 - CSDN
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  • 忽然想到来探探51单片机执行流程。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...

    单片机是没有上操作系统的东西,在keil中编写的代码都是裸机代码,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。

    51单片机程序执行流程详细分析
    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:

    51单片机程序执行流程详细分析
    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:

    51单片机程序执行流程详细分析51单片机程序执行流程详细分析
    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:

    51单片机程序执行流程详细分析
    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:

    51单片机程序执行流程详细分析
    在单步运行一次

    51单片机程序执行流程详细分析
    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:

    51单片机程序执行流程详细分析
    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。

    归其原因,还是代码规定的机制不一样吧。

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  • (转)单片机程序执行过程

    千次阅读 2019-03-05 20:03:25
    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...

    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。 

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  • 单片机执行程序的过程

    千次阅读 2008-04-06 19:34:00
    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...
    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。  
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  • 单片机程序编译原理

    千次阅读 2010-10-28 11:43:00
    单片机程序编译原理::编译程序读取源程序(字符流),对之进行词法和语法的分析,将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码,再由汇编程序转换为机器语言,并且按照操作系统对可执行文件格式的要求链接生成可执行...

    【程序】编译原理

    编译的概念:编译程序读取源程序(字符流),对之进行词法和语法的分析,将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码,再由汇编程序转换为机器语言,并且按照操作系统对可执行文件格式的要求链接生成可执行程序。

        编译的完整过程:C源程序-->预编译处理(.c)-->编译、优化程序(.s、.asm)-->汇编程序(.obj、.o、.a、.ko)-->链接程序(.exe、.elf、.axf等)

     

     

    1. 编译预处理

     

     

        读取c源程序,对其中的伪指令(以#开头的指令)和特殊符号进行处理

    伪指令主要包括以下四个方面:

    (1)宏定义指令,如#define Name TokenString,#undef等。

    对于前一个伪指令,预编译所要做的是将程序中的所有Name用TokenString替换,但作为字符串常量的 Name则不被替换。对于后者,则将取消对某个宏的定义,使以后该串的出现不再被替换。

    (2)条件编译指令,如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif等。

    这些伪指令的引入使得程序员可以通过定义不同的宏来决定编译程序对哪些代码进行处理。预编译程序将根据有关的文件,将那些不必要的代码过滤掉

    (3) 头文件包含指令,如#include "FileName"或者#include <FileName>等。

    在头文件中一般用伪指令#define定义了大量的宏(最常见的是字符常量),同时包含有各种外部符号的声明。

        采用头文件的目的主要是为了使某些定义可以供多个不同的C源程序使用。因为在需要用到这些定义的C源程序中,只需加上一条#include语句即可,而不必再在此文件中将这些定义重复一遍。预编译程序将把头文件中的定义统统都加入到它所产生的输出文件中,以供编译程序对之进行处理。

        包含到c源程序中的头文件可以是系统提供的,这些头文件一般被放在/usr/include目录下。在程序中#include它们要使用尖括号(< >)。另外开发人员也可以定义自己的头文件,这些文件一般与c源程序放在同一目录下,此时在#include中要用双引号("")。

    (4)特殊符号,预编译程序可以识别一些特殊的符号。

    例如在源程序中出现的LINE标识将被解释为当前行号(十进制数),FILE则被解释为当前被编译的C源程序的名称。预编译程序对于在源程序中出现的这些串将用合适的值进行替换。

       预编译程序所完成的基本上是对源程序的“替代”工作。经过此种替代,生成一个没有宏定义、没有条件编译指令、没有特殊符号的输出文件。这个文件的含义同没有经过预处理的源文件是相同的,但内容有所不同。下一步,此输出文件将作为编译程序的输出而被翻译成为机器指令。

     

     

    2. 编译、优化阶段

     

     

        经过预编译得到的输出文件中,只有常量;如数字、字符串、变量的定义,以及C语言的关键字,如main,if,else,for,while,{,}, +,-,*,/等等。

        编译程序所要作得工作就是通过词法分析和语法分析,在确认所有的指令都符合语法规则之后,将其翻译成等价的中间代码表示或汇编代码。

        优化处理是编译系统中一项比较艰深的技术。它涉及到的问题不仅同编译技术本身有关,而且同机器的硬件环境也有很大的关系。优化一部分是对中间代码的优化。这种优化不依赖于具体的计算机。另一种优化则主要针对目标代码的生成而进行的。

        对于前一种优化,主要的工作是删除公共表达式、循环优化(代码外提、强度削弱、变换循环控制条件、已知量的合并等)、复写传播,以及无用赋值的删除,等等。

    后一种类型的优化同机器的硬件结构密切相关,最主要的是考虑是如何充分利用机器的各个硬件寄存器存放的有关变量的值,以减少对于内存的访问次数。另外,如何根据机器硬件执行指令的特点(如流水线、RISC、CISC、VLIW等)而对指令进行一些调整使目标代码比较短,执行的效率比较高,也是一个重要的研究课题。

        经过优化得到的汇编代码必须经过汇编程序的汇编转换成相应的机器指令,方可能被机器执行。

     

     

    3. 汇编过程

     

     

        汇编过程实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。对于被翻译系统处理的每一个C语言源程序,都将最终经过这一处理而得到相应的目标文件。目标文件中所存放的也就是与源程序等效的目标的机器语言代码。

    目标文件由段组成。通常一个目标文件中至少有两个段:

        代码段:该段中所包含的主要是程序的指令。该段一般是可读和可执行的,但一般却不可写。

        数据段:主要存放程序中要用到的各种全局变量或静态的数据。一般数据段都是可读,可写,可执行的。

    UNIX环境下主要有三种类型的目标文件:

    (1)可重定位文件

    其中包含有适合于其它目标文件链接来创建一个可执行的或者共享的目标文件的代码和数据。

    (2)共享的目标文件

       这种文件存放了适合于在两种上下文里链接的代码和数据。

       第一种是链接程序可把它与其它可重定位文件及共享的目标文件一起处理来创建另一个 目标文件;

    第二种是动态链接程序将它与另一个可执行文件及其它的共享目标文件结合到一起,创建一个进程映象。

    (3)可执行文件

        它包含了一个可以被操作系统创建一个进程来执行之的文件。

    汇编程序生成的实际上是第一种类型的目标文件。对于后两种还需要其他的一些处理方能得到,这个就是链接程序的工作了。

     

     

    4. 链接程序

     

     

        由汇编程序生成的目标文件并不能立即就被执行,其中可能还有许多没有解决

    的问题。

        例如,某个源文件中的函数可能引用了另一个源文件中定义的某个符号(如变量或者函数调用等);在程序中可能调用了某个库文件中的函数,等等。所有的这些问题,都需要经链接程序的处理方能得以解决。

        链接程序的主要工作就是将有关的目标文件彼此相连接,也即将在一个文件中引用的符号同该符号在另外一个文件中的定义连接起来,使得所有的这些目标文件成为一个能够诶操作系统装入执行的统一整体。

        根据开发人员指定的同库函数的链接方式的不同,链接处理可分为两种:

    (1)静态链接

        在这种链接方式下,函数的代码将从其所在地静态链接库中被拷贝到最终的可执行程序中。这样该程序在被执行时这些代码将被装入到该进程的虚拟地址空间中。静态链接库实际上是一个目标文件的集合,其中的每个文件含有库中的一个或者一组相关函数的代码。

    (2) 动态链接

        在此种方式下,函数的代码被放到称作是动态链接库或共享对象的某个目标文件中。链接程序此时所作的只是在最终的可执行程序中记录下共享对象的名字以及其它少量的登记信息。在此可执行文件被执行时,动态链接库的全部内容将被映射到运行时相应进程的虚地址空间。动态链接程序将根据可执行程序中记录的信息找到相应的函数代码。

        对于可执行文件中的函数调用,可分别采用动态链接或静态链接的方法。使用动态链接能够使最终的可执行文件比较短小,并且当共享对象被多个进程使用时能节约一些内存,因为在内存中只需要保存一份此共享对象的代码。但并不是使用动态链接就一定比使用静态链接要优越。在某些情况下动态链接可能带来一些性能上损害。

     

     

    总结:

        C语言编译的整个过程是非常复杂的,里面涉及到的编译器知识、硬件知识、工具链知识都是非常多的,深入了解整个编译过程对工程师理解应用程序的编写是有很大帮助的,希望大家可以多了解一些,在遇到问题时多思考、多实践。

        一般情况下,我们只需要知道分成编译和连接两个阶段,编译阶段将源程序(*.c)转换成为目标代码(,一般是obj文件,至于具体过程就是上面说的那些阶段),连接阶段是把源程序转换成的目标代码(obj文件)与你程序里面调用的库函数对应的代码连接起来形成对应的可执行文件(exe文件)就可以了,其他的都需要在实践中多多体会才能有更深的理解。

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