引導(dǎo)程序的運(yùn)行―程序計(jì)數(shù)器

一般來說，程序就是計(jì)算機(jī)將所要進(jìn)行的處理按順序排列的指令集。在單片機(jī)中，將程序保存在地址空間(存儲器空間)中(上期曾介紹過)，并由CPU來執(zhí)行(處理)指令。假設(shè)地址空間中的一個(gè)地址保存一條指令，先執(zhí)行某個(gè)地址中的指令(如“將值置位到CPU中”處理)，接著執(zhí)行下一個(gè)地址中的指令，接下來再執(zhí)行下一個(gè)地址中的指令……，像這樣通過連續(xù)執(zhí)行指令，便可執(zhí)行程序。

那么，CPU是如何判斷執(zhí)行指令的順序呢?在單片機(jī)中，程序被執(zhí)行的時(shí)候“程序計(jì)數(shù)器(PC)”的值也同時(shí)被更新。存放在CPU內(nèi)的指令地址中，程序計(jì)數(shù)器存儲有下一條CPU將要執(zhí)行的指令所在的地址。執(zhí)行了某個(gè)地址的指令后，下一個(gè)該執(zhí)行哪個(gè)地址中的指令呢?這個(gè)答案由程序計(jì)數(shù)器來告訴你。

一般來說，程序被保存在連續(xù)的地址中，再由CPU按順序執(zhí)行存放在各個(gè)地址中的指令。圖1為程序計(jì)數(shù)器的示意圖。圖中，假定(1)執(zhí)行地址1000h 中的指令，(2)執(zhí)行地址1000h中的指令后，程序計(jì)數(shù)器的値自動增加一個(gè)量并顯示出下一個(gè)地址1001h，接下來，(3)CPU執(zhí)行地址1001h中的指令。

那么，CPU執(zhí)行最初的指令時(shí)是一種什么狀況呢?單片機(jī)在接通電源或是復(fù)位時(shí)，如上期所說明的，保存在向量表的復(fù)位地址中的値(程序的起始地址)將被轉(zhuǎn)移到程序計(jì)數(shù)器中，該地址中的指令便得到執(zhí)行(請參照上期的圖2)。

⇒關(guān)于地址空間及向量表的內(nèi)容，請參照本系列的第五期《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)(上)》。

改變程序的運(yùn)行路徑―轉(zhuǎn)移指令

編寫程序時(shí)，在執(zhí)行完某個(gè)指令的處理后有時(shí)必須先執(zhí)行保存“(非連續(xù))的下一個(gè)地址”中的指令。此時(shí)，程序計(jì)數(shù)器的值將被改寫，而所用的指令被稱為“轉(zhuǎn)移指令”。

圖2所示是轉(zhuǎn)移指令的示意圖。圖2示例中，(1)地址1000h中存放有轉(zhuǎn)移指令，即將(2)程序計(jì)數(shù)器的值改寫為下一個(gè)應(yīng)執(zhí)行的地址(1100h)的指令。即CPU執(zhí)行完1000h地址的指令(轉(zhuǎn)移指令)后，接下來不是執(zhí)行1001h地址的指令，而是執(zhí)行(3)1100h地址的指令。

另外，在轉(zhuǎn)移指令中，能夠利用“從當(dāng)前的程序計(jì)數(shù)器的值向前(更大的地址)/向后(更小的地址)移動”的方法來設(shè)定程序計(jì)數(shù)器的值。

信息的暫時(shí)存放處―堆棧

執(zhí)行程序時(shí)，在運(yùn)算過程中僅僅依靠CPU內(nèi)的數(shù)據(jù)保存位置(CPU內(nèi)部寄存器)是不夠的，有時(shí)需在主存儲器中暫時(shí)存放信息。這種信息的暫時(shí)存放位置被稱為“堆棧”，而存放“下一個(gè)(暫時(shí))存放的信息地址”的就是“堆棧指針(SP)”。如果一開始就設(shè)定好堆棧的地址，那么堆棧指針將自動更新，且總是指示 “下一個(gè)(暫時(shí))存放的信息地址”。

⇒CPU內(nèi)部寄存器等單片機(jī)的結(jié)構(gòu)請參照《單片機(jī)入門(1)》。

如果執(zhí)行“將該信息存放(有時(shí)也用“堆積”)在堆棧”的指令，那么被指定的信息將會被寫入堆棧指針?biāo)付ǖ牡刂分?，且堆棧指針的值也將被更新為新的地?一般為一個(gè)小地址)。該情形如圖3所示。如果(1)CPU將信息存放在堆棧指針?biāo)傅牡刂分?，則(2)堆棧指針的値將被更新，然后(3)堆棧指針指向下一個(gè)存放信息的位置。

將存放在堆棧中的信息返回CPU時(shí)，也將用到堆棧指針。圖4所示的是將信息返回時(shí)的情形。(1)更新堆棧指針的値(更新為一個(gè)大的地址)，(2)將暫時(shí)存放在堆棧中的信息返送回CPU。此時(shí)，(3)堆棧指針指向下一個(gè)寫入地址(先前將信息返回CPU后空出的地址)。

但是堆棧中并非可無限制地保存信息。由于堆棧能使用的范圍僅限于可改寫的被稱為RAM的存儲器。如果信息存放量過多而導(dǎo)致堆棧超出了RAM的區(qū)域，程序?qū)o法正常運(yùn)行。

理解中斷處理

本期是本系列的最后一期。下面我們將以前介紹過的內(nèi)容進(jìn)行一個(gè)總結(jié)，并以此來理解單片機(jī)是如何運(yùn)行(處理)的。

我們將以發(fā)生中斷時(shí)的處理為例來進(jìn)行思考(圖5)。中斷處理就是指在執(zhí)行某個(gè)程序的過程中，由于某種原因(產(chǎn)生中斷)而導(dǎo)致開始執(zhí)行完全不同的程序。我們以來自外設(shè)功能之一的獨(dú)立的看門狗計(jì)時(shí)器(WDT、所謂的Watch Dog即看門狗的意思)的中斷為例來進(jìn)行分析。在程序正常運(yùn)行時(shí)獨(dú)立的看門狗定時(shí)器將什么也不做，但是在程序失去控制，且沒有按必要的步驟進(jìn)行處理時(shí)就會產(chǎn)生中斷。使失去控制的程序停下并讓系統(tǒng)穩(wěn)定停止的處理是由通過中斷開始的程序來執(zhí)行的。中斷處理的流程請參照本系列《中斷功能》的圖2。

⇒關(guān)于中斷的結(jié)構(gòu)和處理流程請參照本系列《中斷功能》的內(nèi)容。

⇒關(guān)于看門狗定時(shí)器請參照本系列的《定時(shí)器》的內(nèi)容。

(1)首先，在產(chǎn)生中斷時(shí)，必須使運(yùn)行中的程序入棧。

(2)在中斷處理 “入棧”時(shí)，將信息存放在堆棧指針指向的地址(堆棧)中。進(jìn)行中斷處理時(shí)存放在堆棧中的信息就是正在執(zhí)行的原先的程序(被中斷的程序)時(shí)的程序計(jì)數(shù)器的值，即原先的程序執(zhí)行到哪一步的信息(地址)。另外，顯示CPU內(nèi)部狀態(tài)的信息和暫時(shí)保存的值也存放在堆棧中。

(3)如果CPU內(nèi)部的信息存放在堆棧中且完成“交付”準(zhǔn)備(入棧)后，將執(zhí)行中斷程序。中斷程序與正在執(zhí)行的程序不同且所保存的地址空間也不同，所以程序計(jì)數(shù)器的值與原先程序也完全不同。中斷程序的起始位置將被寫入向量表中。起始位置該寫在向量表中的哪一項(xiàng)取決于所產(chǎn)生的中斷。[!--empirenews.page--]

例如，如果存在不可屏蔽中斷(NMI，即CPU不能屏蔽的中斷)，那就從寫有NMI項(xiàng)的地址開始進(jìn)行處理(請參照《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)(上)》的圖2及圖3)。

⇒使用向量表進(jìn)行處理的流程在本系列《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)(上)》中進(jìn)行解說。

(4)如上所述，向量表的NMI項(xiàng)中的值(地址)將轉(zhuǎn)移到程序計(jì)數(shù)器中，并從該處開始執(zhí)行。此外，如將數(shù)值設(shè)為0而產(chǎn)生錯誤時(shí)，或者欲存取到無存儲器的位置時(shí)，CPU本身將產(chǎn)生中斷并從向量表中讀取開始處理的地址。此例中，由于在檢測到程序失控時(shí)是通過獨(dú)立的看門狗定時(shí)器進(jìn)行中斷處理的，所以中斷程序?qū)⑹瓜到y(tǒng)停止下來。

(5)如為一般的周期性中斷，那么，中斷處理一結(jié)束，且在入棧時(shí)將存放在堆棧中的“執(zhí)行原先執(zhí)行程序時(shí)的信息”返回到CPU。最后返回程序計(jì)數(shù)器的值，并結(jié)束從中斷返回的處理“出棧”。

開始中斷程序時(shí)，通過來自外部的信號或從CPU本身發(fā)出的指令來開始入棧。出棧時(shí)使用“來自中斷的出棧指令”，因此編程人員無需考慮“堆棧中存放有什么信息又是按什么順序來存放的?”等問題，僅需一條指令便可進(jìn)行出棧處理。

結(jié)合上期《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)(上)》的內(nèi)容，從執(zhí)行程序的觀點(diǎn)來分析，本期對于CPU中到底產(chǎn)生了什么變化進(jìn)行了說明。程序存放在地址空間中，且在向量表中保存有起始地址，而且還有將信息暫時(shí)存放的被稱為堆棧的內(nèi)容等等……，在進(jìn)行嵌入式編程時(shí)，必須同時(shí)考慮這些內(nèi)部動作后再進(jìn)行編程。如果可通過程序?qū)τ诟?xì)微的部分發(fā)出指示，且能發(fā)揮出該單片機(jī)的能力的話，編程將變得更加容易。

本系列共分4期，本期為最后一期。盡管每一期都只介紹非常基礎(chǔ)的內(nèi)容，對于那些內(nèi)容，我們也盡量做到即使對于完全不具備相關(guān)知識的讀者也能看得懂。所以，請您也反復(fù)閱讀，我們相信您一定會完全理解其內(nèi)容的。