51單片機(jī)程序執(zhí)行流程詳細(xì)分析

單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，側(cè)重硬件過程

為了加深初學(xué)者對51單片機(jī)指令的理解，現(xiàn)在把指令執(zhí)行的過程在此詳細(xì)說明，希望對你有啟發(fā)！單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，實(shí)際上就是執(zhí)行我們所編制程序的過程。即逐條指令的過程。計算機(jī)每執(zhí)行一條指令都可分為三個階段進(jìn)行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。取指令的任務(wù)是：根據(jù)程序計數(shù)器PC中的值從程序存儲器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器。分析指令階段的任務(wù)是：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。

計算機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過程，直至遇到停機(jī)指令可循環(huán)等待指令。一般計算機(jī)進(jìn)行工作時，首先要通過外部設(shè)備把程序和數(shù)據(jù)通過輸入接口電路和數(shù)據(jù)總線送入到存儲器，然后逐條取出執(zhí)行。但單片機(jī)中的程序一般事先我們都已通過寫入器固化在片內(nèi)或片外程序存儲器中。因而一開機(jī)即可執(zhí)行指令。下面我們將舉個實(shí)例來說明指令的執(zhí)行過程：開機(jī)時，程序計算器PC變?yōu)?000H。然后單片機(jī)在時序電路作用下自動進(jìn)入執(zhí)行程序過程。執(zhí)行過程實(shí)際上就是取出指令（取出存儲器中事先存放的指令階段）和執(zhí)行指令（分析和執(zhí)行指令）的循環(huán)過程。例如執(zhí)行指令：MOV A,#0E0H，其機(jī)器碼為“74H E0H”，該指令的功能是把操作數(shù)E0H送入累加器，0000H單元中已存放74H，0001H單元中已存放E0H。當(dāng)單片機(jī)開始運(yùn)行時，首先是進(jìn)入取指階段，其次序是：

1. 程序計數(shù)器的內(nèi)容（這時是0000H）送到地址寄存器；2. 程序計數(shù)器的內(nèi)容自動加1（變?yōu)?001H）；3. 地址寄存器的內(nèi)容（0000H）通過內(nèi)部地址總線送到存儲器，以存儲器中地址譯碼電跟，使地址為0000H的單元被選中；4. CPU使讀控制線有效；5. 在讀命令控制下被選中存儲器單元的內(nèi)容（此時應(yīng)為74H）送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，因?yàn)槭侨≈鸽A段，所以該內(nèi)容通過數(shù)據(jù)總線被送到指令寄存器。至此，取指階段完成，進(jìn)入譯碼分析和執(zhí)行指令階段。

由于本次進(jìn)入指令寄存器中的內(nèi)容是74H（操作碼），以譯碼器譯碼后單片機(jī)就會知道該指令是要將一個數(shù)送到A累加器，而該數(shù)是在這個代碼的下一個存儲單元。所以，執(zhí)行該指令還必須把數(shù)據(jù)（E0H）從存儲器中取出送到CPU，即還要在存儲器中取第二個字節(jié)。

其過程與取指階段很相似，只是此時PC已為0001H。指令譯碼器結(jié)合時序部件，產(chǎn)生74H操作碼的微操作系列，使數(shù)字E0H從0001H單元取出。因?yàn)橹噶钍且蟀讶〉玫臄?shù)送到A累加器，所以取出的數(shù)字經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進(jìn)入A累加器，而不是進(jìn)入指令寄存器。至此，一條指令的執(zhí)行完畢。

單片機(jī)中PC="0002H"，PC在CPU每次向存儲器取指或取數(shù)時自動加1，單片機(jī)又進(jìn)入下一取指階段。這一過程一直重復(fù)下去，直至收到暫停指令或循環(huán)等待指令暫停。CPU就是這樣一條一條地執(zhí)行指令，完成所有規(guī)定的功能。

51單片機(jī)程序執(zhí)行流程詳細(xì)分析

單片機(jī)是沒有操作系統(tǒng)的東西，在keil中編寫的代碼都是裸機(jī)代碼，即你寫的代碼就類似是操作系統(tǒng)，深入編寫裸機(jī)代碼有助于了解硬件的特性。

若不是硬件特性已定的情況之下的其它流程都是代碼作祟。忽然想到來探探51單片機(jī)的執(zhí)行流程。這個念頭起源于最初見到每個51程序里面的主函數(shù)里面最終都掛一個while(1);語句。為何要加一句while死循環(huán)讓程序停留在main函數(shù)中呢。將while(1);語句去掉有什么影響么?

寫一個很簡單的程序試一下。

執(zhí)行以上程序，由P1端口控制的流水燈閃了一下。程序最終進(jìn)入while(1);里糾纏去了，這個到好解釋。

現(xiàn)將while(1);語句屏蔽掉。我還以為程序不能被正確執(zhí)行了呢，因?yàn)橥顺隽薽ain主函數(shù)，就像Render需要循環(huán)來實(shí)現(xiàn)一樣(盡管剛剛閃燈的程序不在循環(huán)之內(nèi)，但我還是不由產(chǎn)生了這一錯覺)。程序執(zhí)行的結(jié)果是：流水燈不停的閃爍!

看到這個現(xiàn)象后的猜想及動作^-^：

(1) 這塊板壞了吧!(在帶操作系統(tǒng)如linux字符界面下運(yùn)行一個不帶死循環(huán)的C語言文件完畢后就會返回到linux shell程序中)。趕緊換個板再測試一下，顯然還是一樣的結(jié)果。

(2) 單片機(jī)中將一直執(zhí)行main函數(shù)中的最后一個(些)語句?(基于帶OS平臺下運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)C語言文件的經(jīng)驗(yàn)，可從來沒有想過是main函數(shù)被多次調(diào)用或多次進(jìn)入)

(3) 單片機(jī)內(nèi)將C語言指令取出來加載到單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)內(nèi)自動生成一個主程序循環(huán)執(zhí)行C語言中main函數(shù)的內(nèi)容?(雖然很荒唐，還是想了)

(4) 趕快谷歌百度一下單片機(jī)的執(zhí)行流程(雖然在谷歌百度時以“51單片機(jī)程序執(zhí)行流程”搜索，沒有搜到相關(guān)內(nèi)容)。換樸實(shí)的搜索詞：“51單片機(jī) main”。然后就出現(xiàn)跟我一樣帶有疑問的問題：為什么main函數(shù)中不加while(1);語句之后程序會反復(fù)執(zhí)行呢?回答的關(guān)鍵詞包括“程序跑飛、看門狗、復(fù)位”。

(5) 趁上嵌入式的機(jī)會將“51單片機(jī)程序執(zhí)行流程”搬出來并向老師講述了我所寫程序的得到的現(xiàn)象，包括我怎么驗(yàn)證呀等等。

老師的回答：Keil C51程序自動加載了一個名為”STARTUP.A51”的文件，在這個文件里面進(jìn)行了一系列的初始化操作后進(jìn)入用戶編寫的C語言程序入口main函數(shù)中，main函數(shù)執(zhí)行完畢后，STARTUP.A51文件后有一句跳轉(zhuǎn)到程序入口main函數(shù)的語句，所以會再次進(jìn)入C語言主程序main函數(shù)中執(zhí)行相關(guān)內(nèi)容。

然后我用keil軟件模擬了運(yùn)行一下以上那一段代碼：

程序開始運(yùn)行就在程序入口main函數(shù)的第一條語句之處，Disassembly窗口是c語言代碼與匯編代碼相對應(yīng)的窗口，前面是地址，后面的是C語言對應(yīng)的匯編語句。下面的窗口是相應(yīng)文件的運(yùn)行代碼的位置，由黃色箭頭指向當(dāng)前正要執(zhí)行的代碼。然后點(diǎn)擊單步運(yùn)行工具條，指導(dǎo)跳出main函數(shù)為止，程序跳轉(zhuǎn)到STARTUP.A51中的以下代碼位置：

繼續(xù)點(diǎn)擊單步調(diào)試直到進(jìn)入一個循環(huán)中：

這里是一個循環(huán)，根據(jù)DJNZ指令的功能：每執(zhí)行一次DJNZ RO, IDATALOOP就將R0的值減1，若R0的值不為0則就跳到IDATALOOP地址去。很顯然這是一個循環(huán)，那么RO的值是多少呢，在以下窗口顯示：

可見r0的初值為0x7f，這里將要循環(huán)0x7f(128)次，具體在這里r0值的含義可查看一下子的。那么在這個循環(huán)之后程序又將去哪里呢?跳過這個循環(huán)后程序運(yùn)行的地方如下：

再單步運(yùn)行一次：

根據(jù)Disassembly的內(nèi)容，此條語句執(zhí)行了就又要回到main函數(shù)中去了，執(zhí)行一下試試：

是的!

所以，在51單片機(jī)中，程序的執(zhí)行流程就是會不斷( 以r0的值作為延遲條件， 具體含義可繼續(xù)探索 )的進(jìn)入main函數(shù)中執(zhí)行main函數(shù)中的代碼。

為什么我們在linux等上面運(yùn)行不帶死循環(huán)的C語言代碼后程序就會自行終止呢?這是不同的操作流程：

(1) C51單片機(jī)不帶OS(操作系統(tǒng))，代碼的執(zhí)行形勢在此看來就由STARTUP.A51來安排了，沒有一個更大的程序來管理怎么調(diào)用main函數(shù)。

(2) 像Linux這類的平臺是帶了OS的，運(yùn)行一個C語言程序?qū)inux來說就是一個任務(wù)，除了運(yùn)行C語言程序這個任務(wù)外還有其它的任務(wù)。當(dāng)運(yùn)行一個C語言程序完畢時，此次的任務(wù)也算是完成了。如在linux shell界面運(yùn)行一個文件名為“hello.c”功能為輸出“hello world!”的C語言程序,過程如下：

編譯：gcc hello.c –o hello

運(yùn)行：./hello

在運(yùn)行hello可執(zhí)行文件時，可以當(dāng)做是shell調(diào)用了hello這個可執(zhí)行程序。在hello運(yùn)行完畢后，將返回值等返回給shell界面。整個C語言文件的生死全有l(wèi)inux shell程序管理。