单片机学习：程序启动与运行

程序保存在存储设备之中，通过有序的读取来实现运行，这称为存储程序方式，现在看来很理所当然，但是在过去确是一个里程碑的意义，因为以前改变程序是改变布线的（想想自己学的数字电路）。但是程序是如何启动运行的呢？

单片机

我们可以通过串口或者JLINK来讲编译好的bin文件或者hex文件烧录到单片机里面，我们都知道代码是烧录在flash中的，程序运行时会将堆栈分配到RAM中，程序的变量，结果都存在堆栈中，CPU运算完之后会将结果保存在RAM中，可是单片机上电后是如何知道我们的程序在哪里，并且有条不紊的执行呢？这个就是硬件工程的设计了，在单片机中有两个寄存器十分重要，一个是PC，一个是SP。

PC是16位程序计数器（Program Counter），它不属于特殊功能寄存器范畴，程序员不以像访问特殊功能寄存器那样来访问PC。PC是专门用于在CPU取指令期间寻址程序存储器。PC总是保存着下一条要执行的指令的16位地址。通常程序是顺序执行的，在一般情况下，当取出一个指令（更确切地说为一个指令字节）字节后，PC自动加1。如果在执行转移指令、子程序调用/返回指令或中断时，要把转向的地址赋给PC。具体就是
1.PC的现行值，即下一条将要执行的指令的地址，自动压入堆栈(这里就是SP的作用了，不累述)，保护起来。
2.将子程序的入口地址或中断向量的地址送入PC，程序流向发生变化，去执行子程序或中断服务子程序。
3.遇到返回RET或RETI指令时，将栈顶的断点值弹回PC中，程序的流向又返回到断点处，从断点处继续执行程序。

我们的STM32单片机可以通过设置BOOT0和BOOT1来实现从RAM启动还是从flash启动。这两种有什么区别呢？flash是掉电保存的，即没有电程序也是存在里面的，但是RAM不是的，RAM一旦断电其中的程序就会消失。所以，一般来说我们将程序都是烧录在flash中的，这样下次我们就不需要烧录了，但是有时候我们需要频繁的烧录程序，而flash的烧录是十分缓慢的，并且不易调试，这时我们就可以将程序烧到RAM中。等到所有都调试完毕再烧到flash中的。当然，我们都知道RAM的运行程序快于flash，所以直接烧到RAM中运行也会加快的（我是没有发现）。

上面只是简单的说了一下程序是如何有序执行的，但是还有很多东西都被省略了，比如在程序开始之前是如何找到main函数在哪里的，中断时是如何找到中断函数的，堆栈是如何分配的等等，这个其实就是启动文件。启动文件是帮助我们如何来分配堆栈（有了堆栈函数才能运行），如何定义中断函数位置，如何配置时钟。每一个芯片都有自己的启动文件，但是我们在编写51的时候好像没有看到过，其实开发软件已经帮我们内化了,所以不需要我们来参与。总的来说，对单片机编程后，程序的代码段，data段，bss段，rodata段等都存放在Flash中。当单片机上电后，初始化汇编代码将data段，bss段，复制到RAM中，并建立好堆栈，开始调用程序的main函数。以后，便有了程序存储器，和数据存储器之分，运行时从Flash(即指令存储器，代码存储器)中读取指令 ，从RAM中读取与写入数据。RAM存在的意义就在于速度更快。

PC

让我有一点很不明白的是，为什么PC的程序必须要在内存中运行，而不是磁盘运行。计算机中存储程序的部件是磁盘和内存，但是磁盘中存储的程序必须要加载到内存中才可以运行。在磁盘中保存的程序是无法直接运行的。这是因为负责解析和运行程序内容的的CPU，需要通过内部程序计数器来指定内存地址，然后才能读出程序。即使CPU可以直接读取并运行磁盘中保存的程序，但是磁盘的读取速度是非常缓慢的，程序的运行也是非常缓慢的。但是对于单片机来说，运行的速度也就是几十上百兆，相对来说是比较慢的，所以程序在RAM中和flash中运行的差异不是十分明显。所以PC在内存运行程序而不是磁盘主要的原因就是速度。
可是我们的内存都是几个G的，但是有时候我们运行十几个G的程序内存还是吃的消，这是为什么呢？这个就要说到虚拟内存了。虚拟内存是指把磁盘的一部分作为假象的内存。所以当我们运行十几个G的程序时，其实内存运行了一部分，磁盘“运行”了一部分。当然这里程序是不会在磁盘中运行的。CPU只能运行内存中的程序，所以当要运行磁盘上的程序时，系统会把磁盘上的程序和内存中的程序进行部分置换，这样看起来就是在运行十几个G的程序，其实运行的只是一部分而已。虽然程序是运行起来了，可是既然要置换必然就会减慢程序执行的速度。

嵌入式

为什么说嵌入式呢？因为我在学习嵌入式开发板时才想到了这个问题。开发板上有NAND FLASH和NOR FLASH两种flash，当时就觉得很奇怪，为什么要两个flash，而且还有两种启动方式。然后找了一些资料，有了点儿明白。
先来看看NAND FLASH 和 NOR FLASH的区别。
NORFlash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NORFLASH里面的代码，不必再把代码读到系统RAM中，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。NANDFlash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的而且是序列性写入，通常是一次读取512个字节，抹除动作只能以“区块”为单位偏移量进行，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NANDFlash上的代码，因此好多使用NANDFlash的开发板除了使用NANDFlash以外，还加上了一块小的NORFlash来运行启动代码。
总的来说就是
NOR FLASH地址线和数据线是分开的，可以采用内存的随机读取方式，用户可以直接运行其中的代码。
NAND FLASH地址线和数据线是共用的，需要程序来控制，才成读写数据，所以不可以片上运行。这样做的好处就是可以减少NAND FLASH的引脚。

mini2440（我买的是友善之臂）的NAND FLASH有128M，而NOR FLASH 只有2M，系统的bootloader一般很小，只有200多KB，而作为一个完整的系统，需要bootloader(200K)，kernel(2M)，rootfs（100M）,这些加起来就有100多M，这三个部分不管有没有电都要保存在单片机中，所以肯定不能烧到内存（SDRAM）中，需要存在flash中。所以mini2440的NOR FLASH中存储了bootloader，而NAND FLASH中存储了NAND FLASH。但是如果我们要运行系统，那么必须是从NAND FLASH中启动（开关拨到NOR启动，显示屏什么都没有，因为NOR FLASH中只存储了bootloader，只能检测有没有硬件损坏，没有显示屏的驱动，所以不会显示），从NAND FLASH启动时也并不是整个系统都是从NAND FLASH运行，而是映射到内存（SDRAM）中运行。

看完这些大致也就知道为什么NAND FLASH不能执行程序了，首先NAND FLASH是地址和数据在一起的，并且是连接到了控制器上而不是总线上，我们的CPU是直接寻址读取指令并执行的，NAND FLASH有自己时序，这样CPU就不能取得执行的代码，也就不能加载系统了。其次，NAND FLASH是块读取的，这个我们想要访问个变量就必须要读取一个块，我们不能随机来访问，程序也无法跳转。那么为什么我们从NAND FLASH中还是能够启动系统运行程序呢？
这是因为NAND FLASH内部有一个RAM，叫做stepping stone（垫脚石），如果S3C2440被配置成从Nand Flash启动(配置由硬件工程师在电路板设置), Nand Flash控制器会自动的把Nand Flash上的前4K数据搬移到4K内部RAM中,并把0x00000000设置内部RAM的起始地址,CPU从内部RAM的0x00000000位置开 始启动。这个过程不需要程序干涉。 程序员需要完成的工作,是把最核心的启动程序放在Nand Flash的前4K中。由于内部RAM只有4KB，所以我们必须要完成2440的核心配置(初始化SDRAM(程序最终需要拷贝到SDRAM中去运行）和 将NAND flash中的剩余的程序拷贝到SDRAM中去,然后跳转到SDRAM中执行)。

总结
CPU的直接取址方式和flash是否可以随机访问（独立的地址线和数据线）决定了flash是否可以运行程序(NAND FLASH不是直接取址的需要控制器和自己的时序，SDRAM和NOR FLASH是随机访问存储，可以直接让CPU取址并执行)

NORFLASH和NANDFLASH

flash编程是将1写为0，而擦出是将0写成1.
NorFlash闪存是随机存储介质，地址线和数据线分开，所以NorFlash芯片可以像SDRAM一样连在数据线上，因此可执行程序可以在芯片内执行(XI P, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中，我们的单片机中的flash就是NorFlash。

NandFlash闪存芯片地址和数据总线共用，不允许对一个字节甚至一个块进行的数据清空，只能对一个固定大小的区域进行清零操作。 NandFlash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。由于时序较为复杂，所以一般CPU最好集成NandFlash控制器.另外由于NandFlash没有挂接在地址总线上，所以如果想用NandFlash作为系统的启动盘，就需要CPU具备特殊的功能，如s3c2410在被选择为NandFlash启动方式时会在上电时自动读取NandFlash的4k数据到地址0的SRAM中.如果CPU不具备这种特殊功能，用户不能直接运行NandFlash上的代码，那可以采取其他方式，比如好多使用NandFlash的开发板除了使用NandFlash以外，还用上了一块小的NorFlash来运行启动代码.