常規上ROM是用來存儲固化程序的,RAM是用來存放數據的。由于FLASH ROM比普通的ROM讀寫速度快,擦寫方便,一般用來存儲用戶程序和需要永久保存的數據。譬如說,現在家用的電子式電度表,它的內核是一款單片機,該單片機的程序就是存放在ROM里的。電度表在工作過程中,是要運算數據的,要采集電壓和電流,并根據電壓和電流計算出電度來。電壓和電流時一個適時的數據,用戶不關心,它只是用來計算電度用,計算完后該次采集的數據就用完了,然后再采集下一次,因此這些值就沒必要永久存儲,就把它放在RAM里邊。然而計算完的電度,是需要永久保存的,單片機會定時或者在停電的瞬間將電度數存入到FLASH里。
--ROM存放指令代碼和一些固定數值,程序運行后不可改動;RAM用于程序運行中數據的隨機存取,掉電后數據消失..
code就是指將數據定義在ROM區域,具只讀屬性,例如一些LED顯示的表頭數據就可以定義成code存儲在ROM。
在單片機中用來存儲程序數據及常量數據或變量數據,凡是c文件及h文件中所有代碼、全局變量、局部變量、’const’限定符定義的常量數據、startup.asm文件中的代碼(類似ARM中的bootloader或者X86中的BIOS,一些低端的單片機是沒有這個的)通通都存儲在ROM中。
RAM:(Random Access Memory)隨機訪問存儲器
用來存儲程序中用到的變量。凡是整個程序中,所用到的需要被改寫的量,都存儲在RAM中,“被改變的量”包括全局變量、局部變量、堆棧段。
程序經過編譯、匯編、鏈接后,生成hex文件。用專用的燒錄軟件,通過燒錄器將hex文件燒錄到ROM中(究竟是怎樣將hex文件傳輸到MCU內部的ROM中的呢?),因此,這個時候的ROM中,包含所有的程序內容:無論是一行一行的程序代碼,函數中用到的局部變量,頭文件中所聲明的全局變量,const聲明的只讀常量,都被生成了二進制數據,包含在hex文件中,全部燒錄到了ROM里面,此時的ROM,包含了程序的所有信息,正是由于這些信息,“指導”了CPU的所有動作。
可能有人會有疑問,既然所有的數據在ROM中,那RAM中的數據從哪里來?什么時候CPU將數據加載到RAM中?會不會是在燒錄的時候,已經將需要放在RAM中數據燒錄到了RAM中?
要回答這個問題,首先必須明確一條:ROM是只讀存儲器,CPU只能從里面讀數據,而不能往里面寫數據,掉電后數據依然保存在存儲器中;RAM是隨機存儲器,CPU既可以從里面讀出數據,又可以往里面寫入數據,掉電后數據不保存,這是條永恒的真理,始終記掛在心。
清楚了上面的問題,那么就很容易想到,RAM中的數據不是在燒錄的時候寫入的,因為燒錄完畢后,拔掉電源,當再給MCU上電后,CPU能正常執行動作,RAM中照樣有數據,這就說明:RAM中的數據不是在燒錄的時候寫入的,同時也說明,在CPU運行時,RAM中已經寫入了數據。關鍵就在這里:這個數據不是人為寫入的,CPU寫入的,那CPU又是什么時候寫入的呢?聽我娓娓道來。
上回說到,ROM中包含所有的程序內容,在MCU上電時,CPU開始從第1行代碼處執行指令。這里所做的工作是為整個程序的順利運行做好準備,或者說是對RAM的初始化(注:ROM是只讀不寫的),工作任務有幾項:
1、為全局變量分配地址空間---à如果全局變量已賦初值,則將初始值從ROM中拷貝到RAM中,如果沒有賦初值,則這個全局變量所對應的地址下的初值為0或者是不確定的。當然,如果已經指定了變量的地址空間,則直接定位到對應的地址就行,那么這里分配地址及定位地址的任務由“連接器”完成。
2、 設置堆棧段的長度及地址---à用C語言開發的單片機程序里面,普遍都沒有涉及到堆棧段長度的設置,但這不意味著不用設置。堆棧段主要是用來在中斷處理時起“保存現場”及“現場還原”的作用,其重要性不言而喻。而這么重要的內容,也包含在了編譯器預設的內容里面,確實省事,可并不一定省心。平時怎么就沒發現呢?奇怪。
3、 分配數據段data,常量段const,代碼段code的起始地址。代碼段與常量段的地址可以不管,它們都是固定在ROM里面的,無論它們怎么排列,都不會對程序產生影響。但是數據段的地址就必須得關心。數據段的數據時要從ROM拷貝到RAM中去的,而在RAM中,既有數據段data,也有堆棧段stack,還有通用的工作寄存器組。通常,工作寄存器組的地址是固定的,這就要求在絕對定址數據段時,不能使數據段覆蓋所有的工作寄存器組的地址。必須引起嚴重關注。
這里所說的“第一行代碼處”,并不一定是你自己寫的程序代碼,絕大部分都是編譯器代勞的,或者是編譯器自帶的demo程序文件。因為,你自己寫的程序(C語言程序)里面,并不包含這些內容。高級一點的單片機,這些內容,都是在startup的文件里面。仔細閱讀,有好處的。
通常的做法是:普通的flashMCU是在上電時或復位時,PC指針里面的存放的是“0000”,表示CPU從ROM的0000地址開始執行指令,在該地址處放一條跳轉指令,使程序跳轉到_main函數中,然后根據不同的指令,一條一條的執行,當中斷發生時(中斷數量也很有限,2~5個中斷),按照系統分配的中斷向量表地址,在中斷向量里面,放置一條跳轉到中斷服務程序的指令,如此如此,整個程序就跑起來了。決定CPU這樣做,是這種ROM結構所造成的。
其實,這里面,C語言編譯器作了很多的工作,只是,你不知道而已。如果你仔細閱讀編譯器自帶的help文件就會知道很多的事情,這是對編譯器了解最好的途徑。
I/O口寄存器:
也是可以被改變的量,它被安排在一個特別的RAM地址,為系統所訪問,而不能將其他變量定義在這些位置。
中斷向量表:
中斷向量表是被固定在MCU內部的ROM地址中,不同的地址對應不同的中斷。每次中斷產生時,直接調用對應的中斷服務子程序,將程序的入口地址放在中斷向量表中。
ROM的大小問題:
對于flash類型的MCU,ROM空間的大小通常都是整字節的,即為ak*8bits。這很好理解,一眼就知道,ROM的空間為aK。但是,對于某些OTP類型的單片機,比如holtek或者sonix公司的單片機,經常看到數據手冊上寫的是“OTP progarming ROM 2k*15bit。。。。。”,可能會產生疑惑,這個“15bit”認為是1個字節有余,2個字節又不足,那這個ROM空間究竟是2k,多于2k,還是4k但是少了一點點呢?
這里要明確兩個概念:一個是指令的位寬,另一個是指令的長度。指令的位寬是指一條指令所占的數據位的寬度;有些是8位位寬,有些是15位位寬。指令長度是指每條指令所占的存儲空間,有1個字節,有2個字節的,也有3個字節甚至4個字節的指令。這個可以打個形象的比方:我們做廣播體操時,有很多動作要做,但是每個復雜的動作都可以分解為幾個簡單的動作。例如,當做伸展運動時,我們只聽到廣播里面喊“2、2、3、4、5、6、7、8”,而這里每一個數字都代表一個指令,聽到“3”這個指令后,我們的頭、手、腰、腿、腳分別作出不同的動作:兩眼目視前方,左手叉腰,右手往上抬起,五指伸直自然并攏打開,右腿伸直,左腿成弓步······等等一系列的分解動作,而要做完這些動作的指令只有一個“3”,要執行的動作卻又很多,于是將多個分解動作合并成一個指令,而每個分解動作的“位寬”為15bits。實事上也確實如此,當在反匯編或者匯編時,可以看到,復合指令的確是有簡單的指令組合起來的。
到此,回答前面那個問題,這個OTP的ROM空間應該是2K,指令位寬為15位。一般的,當指令位寬不是8的倍數時,則說明該MCU的大部分指令長度是一個字節(注:該字節寬度為15位,不是8位),極少數為2個或多個字節,雖然其總的空間少,但是其能容下的空間數據并不少。
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原文標題:單片機ROM,RAM和FLASH的作用
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