對于ROM與RAM的深度解析

ROM：(Read Only Memory)程序存儲器

在單片機中用來存儲程序數(shù)據(jù)及常量數(shù)據(jù)或變量數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)、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(jīng)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?shù)?a target="_blank">MCU內(nèi)部的ROM中的呢?)，因此，這個時候的ROM中，包含所有的程序內(nèi)容：無論是一行一行的程序代碼，函數(shù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)在ROM中，那RAM中的數(shù)據(jù)從哪里來?什么時候CPU將數(shù)據(jù)加載到RAM中?會不會是在燒錄的時候，已經(jīng)將需要放在RAM中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，而不能往里面寫數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，又可以往里面寫入數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)不是在燒錄的時候?qū)懭氲?，因為燒錄完畢后，拔?a target="_blank">電源，當再給MCU上電后，CPU能正常執(zhí)行動作，RAM中照樣有數(shù)據(jù)，這就說明：RAM中的數(shù)據(jù)不是在燒錄的時候?qū)懭氲?，同時也說明，在CPU運行時，RAM中已經(jīng)寫入了數(shù)據(jù)。關(guān)鍵就在這里：這個數(shù)據(jù)不是人為寫入的，CPU寫入的，那CPU又是什么時候?qū)懭氲哪?聽我娓娓道來。

上回說到，ROM中包含所有的程序內(nèi)容，在MCU上電時，CPU開始從第1行代碼處執(zhí)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(wù)有幾項：

1、為全局變量分配地址空間---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(yīng)的地址下的初值為0或者是不確定的。當然，如果已經(jīng)指定了變量的地址空間，則直接定位到對應(yīng)的地址就行，那么這里分配地址及定位地址的任務(wù)由“連接器”完成。

2、設(shè)置堆棧段的長度及地址---用C語言開發(fā)的單片機程序里面，普遍都沒有涉及到堆棧段長度的設(shè)置，但這不意味著不用設(shè)置。堆棧段主要是用來在中斷處理時起“保存現(xiàn)場”及“現(xiàn)場還原”的作用，其重要性不言而喻。而這么重要的內(nèi)容，也包含在了編譯器預設(shè)的內(nèi)容里面，確實省事，可并不一定省心。平時怎么就沒發(fā)現(xiàn)呢?奇怪。

3、分配數(shù)據(jù)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(chǎn)生影響。但是數(shù)據(jù)段的地址就必須得關(guān)心。數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)時要從ROM拷貝到RAM中去的，而在RAM中，既有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)段時，不能使數(shù)據(jù)段覆蓋所有的工作寄存器組的地址。必須引起嚴重關(guān)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(nèi)容。高級一點的單片機，這些內(nèi)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(zhí)行指令，在該地址處放一條跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到_main函數(shù)中，然后根據(jù)不同的指令，一條一條的執(zhí)行，當中斷發(fā)生時(中斷數(shù)量也很有限，2~5個中斷)，按照系統(tǒng)分配的中斷向量表地址，在中斷向量里面，放置一條跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(nèi)部的ROM地址中，不同的地址對應(yīng)不同的中斷。每次中斷產(chǎn)生時，直接調(diào)用對應(yīng)的中斷服務(wù)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(jié)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(jīng)?？吹綌?shù)據(jù)手冊上寫的是“OTP progarming ROM 2k*15bit....”，可能會產(chǎn)生疑惑，這個“15bit”認為是1個字節(jié)有余，2個字節(jié)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(shù)據(jù)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(jié)，有2個字節(jié)的，也有3個字節(jié)甚至4個字節(jié)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(shù)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(zhí)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(yīng)該是2K,指令位寬為15位。一般的，當指令位寬不是8的倍數(shù)時，則說明該MCU的大部分指令長度是一個字節(jié)(注：該字節(jié)寬度為15位，不是8位)，極少數(shù)為2個或多個字節(jié)，雖然其總的空間少，但是其能容下的空間數(shù)據(jù)并不少。