在《單片機(jī)必須了解的外設(shè)功能——GPIO/串行通信》和《單片機(jī)必須了解的外設(shè)功能——定時(shí)器/中斷功能》中對(duì)利用單片機(jī)的功能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明。單片機(jī)內(nèi)置了非常便于使用的外設(shè)功能，大家一定也能感受到單片機(jī)可應(yīng)對(duì)各種要求的能力。但是，如果要有效地運(yùn)行單片機(jī)，程序是不可或缺的，那么程序到底是如何運(yùn)行的呢？從本期開(kāi)始，我們將分上下兩篇向大家介紹單片機(jī)與程序的關(guān)系。

　　關(guān)注單片機(jī)的存儲(chǔ)器

　　在此之前，GR-SAKURA電路板（搭載瑞薩電子單片機(jī)“RX63N”）的程序設(shè)計(jì)是使用Web編譯器來(lái)進(jìn)行的。將通過(guò)編譯器搭建的程序（Object Code，結(jié)果代碼）如同寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán)一樣將之傳送到GR-SAKURA電路板后再執(zhí)行。那么，問(wèn)題來(lái)了。寫(xiě)入（傳送到）單片機(jī)的程序應(yīng)該保存在哪兒呢？另外，程序又是如何被執(zhí)行的呢？在解答這些問(wèn)題的同時(shí)，讓我們一起來(lái)了解一下單片機(jī)與程序的關(guān)系吧。

　　首先來(lái)了解存儲(chǔ)器﹑主存儲(chǔ)器和外置存儲(chǔ)器的兩種作用

　　記憶（保存）程序和數(shù)據(jù)的地方即存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器有以下兩種類(lèi)型。

　　外置存儲(chǔ)器中的程序需傳送到主存儲(chǔ)器后才能執(zhí)行。

　　關(guān)于單片機(jī)的存儲(chǔ)器，常會(huì)看到ROM（Read Only Memory：只讀存儲(chǔ)器）和RAM（Random Access Memory：可讀寫(xiě)存儲(chǔ)器）等詞匯，其實(shí)ROM和RAM僅是表示存儲(chǔ)器性質(zhì)，而與存儲(chǔ)器的作用無(wú)關(guān)。（請(qǐng)參考單片機(jī)入門(mén)①，了解單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和操作）

　　地址空間（內(nèi)存空間）

　　CPU能夠直接進(jìn)行讀寫(xiě)的所有空間被稱(chēng)為“地址空間（或內(nèi)存空間）”。這個(gè)地址空間的每個(gè)字節(jié)都標(biāo)注有號(hào)碼。這個(gè)號(hào)碼稱(chēng)為“地址（address）”，一般以十六進(jìn)制來(lái)表示。上面所介紹過(guò)的主存儲(chǔ)器都包含在地址空間內(nèi)。

　　根據(jù)不同用途，單片機(jī)的CPU已開(kāi)發(fā)出了4位、8位、16位和32位。在GR-SAKURA中使用的RX63N單片機(jī)搭載了32位的CPU，因此也被稱(chēng)為“32位單片機(jī)”。那么，單片機(jī)所擁有的地址空間容量到底有多少呢？以RX63N為例，由于是32位的CPU，因此能夠指定約40億（2的32次方）個(gè)地址。確切地說(shuō)是4，294，967，296（4x1024x1024x1024）個(gè)地址。由于一個(gè)地址可以記憶一個(gè)字節(jié)，這時(shí)也可以表示為具有“4GB（千兆字節(jié)）的地址空間”。地址空間的容量越大越能搭載大容量的存儲(chǔ)器，也可容納更大的程序。因此能夠?qū)崿F(xiàn)更高功能的應(yīng)用。

　　32位字節(jié)的CPU所擁有的４G字節(jié)的地址空間示例如圖1所示。左邊所示的是以十六進(jìn)制標(biāo)示的地址。由于一列保存有4個(gè)字節(jié)（=32位），所以左邊所標(biāo)記的地址就是每4個(gè)地址的值。

　　計(jì)算機(jī)的單位：位、字節(jié)、兆、千兆和兆兆（太）

　　數(shù)據(jù)的基本單位是位（b=bit），每個(gè)位的值為“0”或“1”。8位為1個(gè)字節(jié)（B=Byte）。例如，3個(gè)字節(jié)（3×8位）等同于24位。

　　電腦存儲(chǔ)設(shè)備的容量所使用的單位，大家耳熟能詳?shù)挠蠯B（千字節(jié)）、MB（兆字節(jié)）、GB（千兆字節(jié)）和TB（太字節(jié)）等。一般情況下會(huì)說(shuō)1GB＝1000MB或者這樣寫(xiě)出來(lái)，但在計(jì)算機(jī)的世界里，此單位并非為1000倍，而是1024倍（2的10次方），因此正確的表示如下：

　　1KB（千字節(jié)）＝2的10次方 ＝ 1，024 字節(jié)

　　1MB（兆字節(jié)）＝1，024KB ＝ 2的20次方 1，048，576 字節(jié)

　　1GB（千兆字節(jié)）＝1，024MB ＝ 2的30次方 ＝ 1，073，741，824 字節(jié)

　　1TB（太字節(jié)）＝1，024GB ＝ 2的40次方 ＝ 1，099，511，627，776字節(jié)

　　表示地址的十六進(jìn)制指的是什么？

　　地址空間內(nèi)的地址以16進(jìn)制來(lái)表示。例如，擁有16位（2的16次方）大小的地址空間中，如果以10進(jìn)制來(lái)表示，就是“從地址0到地址65535”，如果以16進(jìn)制來(lái)表示，則是從“地址0h到地址FFFFh”。在10進(jìn)制中，每一位所取的值都在0到9之間，而在16進(jìn)制中，則是0到F（相當(dāng)于10進(jìn)制的15）。以16進(jìn)制表示的數(shù)，都有一個(gè)“h”，標(biāo)明是以16進(jìn)制來(lái)表示的。

　　程序保存在哪兒呢？（向量表）

　　那么，程序被保存在地址空間的什么地方，又是怎么樣開(kāi)始工作的呢？單片機(jī)復(fù)位后便開(kāi)始執(zhí)行先程序。復(fù)位是在接通電源或接收到復(fù)位信號(hào)時(shí)發(fā)生。實(shí)際上，這種“開(kāi)始執(zhí)行先程序”處理中，有如下所示的兩種方法。

　　即開(kāi)始執(zhí)行程序時(shí)，有將執(zhí)行程序的起始地址設(shè)為固定的CPU及將之設(shè)為可變地址的CPU。

　　在將起始地址設(shè)為固定的CPU中，大多是從地址0（地址空間中的地址）開(kāi)始執(zhí)行。這就是程序開(kāi)始的地點(diǎn)。而且，有時(shí)要事先在地址0中實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入“下一個(gè)要執(zhí)行的是地址○○”的跳轉(zhuǎn)（Jump）指令，并將程序預(yù)先放置在“地址○○”中。如果改寫(xiě)“地址○○”，將可獲得與將起始地址設(shè)為可變地址同樣的效果。

　　將起始地址設(shè)為可變地址的CPU將起始地址寫(xiě)入被稱(chēng)為“向量表”的部分中（圖2）。向量表是只存放地址空間中各種起始地址的特定區(qū)域的名稱(chēng)。一般來(lái)說(shuō)是它放置在地址空間中地址的部分。

　　以RX63N為例，由于地址是以32位來(lái)顯示的，為了保存它就需要4個(gè)字節(jié)。這就意味著圖3中的“復(fù)位”部分表示從地址FFFFFFFCh到地址FFFFFFFFh的4個(gè)字節(jié)中保存了程序的起始地址。CPU復(fù)位后將讀取保存于此的地址，并從作了標(biāo)記的地址開(kāi)始執(zhí)行。被寫(xiě)入向量表的不僅是復(fù)位后的起始地址，向量表中還保存發(fā)生中斷時(shí)程序的起始地址和異常處理（Exception Handling）的起始地址。也正因?yàn)楸４媪税l(fā)生中斷及異常處理等因多種事由的起始地址，所以才被稱(chēng)為“表（Table）”。

　　我們來(lái)設(shè)想一下使用了向量表的程序處理的情況。圖3表示出了發(fā)生非屏蔽中斷（NMI） （*1） 時(shí)的處理流程例。

　?。?）產(chǎn)生NMI，

　　（2）讀取寫(xiě)在向量表的NMI的起始地址（此例中為10000000h），

　　（3）執(zhí)行所讀取地址（10000000h）中的NMI程序。

　　（*1）非屏蔽中斷（NMI）：所謂非屏蔽指的是無(wú)法禁止的意思。如有中斷請(qǐng)求，CPU將無(wú)條件地執(zhí)行中斷處理。可用于通過(guò)看門(mén)狗定時(shí)器進(jìn)行的中斷處理等。關(guān)于看門(mén)狗定時(shí)器，在連載的“定時(shí)器”中已為大家作了介紹。

　　如上所述，在將程序的起始地址設(shè)為可變的CPU中，由于能夠通過(guò)寫(xiě)入向量表來(lái)指定中斷處理的起始地址，因此具有在地址空間中自由配置中斷處理程序的特征。

　　本期我們介紹了CPU的地址空間與外設(shè)功能的關(guān)系、以及程序是從哪里開(kāi)始執(zhí)行的等內(nèi)容。如果單片機(jī)為32位，就有非常巨大的地址空間可以使用。內(nèi)存是非常寶貴的資源，所以將保存在內(nèi)存中的程序設(shè)計(jì)得小巧非常重要，但32位單片機(jī)的地址空間已比16位的大了很多。為了縮小程序，沒(méi)有必要進(jìn)行復(fù)雜的編程，我們的程序都是在更易于讀取的目標(biāo)下來(lái)編寫(xiě)的。