單片機與程序設計（下）

引導程序的運行D程序計數器

一般來說，程序就是計算機將所要進行的處理按順序排列的指令集。在單片機中，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。假設地址空間中的一個地址保存一條指令，先執(zhí)行某個地址中的指令(如“將值置位到CPU中”處理)，接著執(zhí)行下一個地址中的指令，接下來再執(zhí)行下一個地址中的指令……，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?在單片機中，程序被執(zhí)行的時候“程序計數器(PC)”的值也同時被更新。存放在CPU內的指令地址中，程序計數器存儲有下一條CPU將要執(zhí)行的指令所在的地址。執(zhí)行了某個地址的指令后，下一個該執(zhí)行哪個地址中的指令呢?這個答案由程序計數器來告訴你。

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)行存放在各個地址中的指令。圖1為程序計數器的示意圖。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，程序計數器的自動增加一個量并顯示出下一個地址1001h，接下來，(3)CPU執(zhí)行地址1001h中的指令。

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

⇒關于地址空間及向量表的內容，請參照本系列的第五期《單片機與程序設計(上)》。

改變程序的運行路徑D轉移指令

編寫程序時，在執(zhí)行完某個指令的處理后有時必須先執(zhí)行保存“(非連續(xù))的下一個地址”中的指令。此時，程序計數器的值將被改寫，而所用的指令被稱為“轉移指令”。

圖2所示是轉移指令的示意圖。圖2示例中，(1)地址1000h中存放有轉移指令，即將(2)程序計數器的值改寫為下一個應執(zhí)行的地址(1100h)的指令。即CPU執(zhí)行完1000h地址的指令(轉移指令)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，在轉移指令中，能夠利用“從當前的程序計數器的值向前(更大的地址)/向后(更小的地址)移動”的方法來設定程序計數器的值。

信息的暫時存放處D堆棧

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

⇒CPU內部寄存器等單片機的結構請參照《單片機入門(1)》。

如果執(zhí)行“將該信息存放(有時也用“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所指定的地址中，且堆棧指針的值也將被更新為新的地址(一般為一個小地址)。該情形如圖3所示。如果(1)CPU將信息存放在堆棧指針所指的地址中，則(2)堆棧指針的將被更新，然后(3)堆棧指針指向下一個存放信息的位置。

將存放在堆棧中的信息返回CPU時，也將用到堆棧指針。圖4所示的是將信息返回時的情形。(1)更新堆棧指針的(更新為一個大的地址)，(2)將暫時存放在堆棧中的信息返送回CPU。此時，(3)堆棧指針指向下一個寫入地址(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致堆棧超出了RAM的區(qū)域，程序將無法正常運行。

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容進行一個總結，并以此來理解單片機是如何運行(處理)的。

我們將以發(fā)生中斷時的處理為例來進行思考(圖5)。中斷處理就是指在執(zhí)行某個程序的過程中，由于某種原因(產生中斷)而導致開始執(zhí)行完全不同的程序。我們以來自外設功能之一的獨立的看門狗計時器(WDT、所謂的Watch Dog即看門狗的意思)的中斷為例來進行分析。在程序正常運行時獨立的看門狗定時器將什么也不做，但是在程序失去控制，且沒有按必要的步驟進行處理時就會產生中斷。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。

⇒關于中斷的結構和處理流程請參照本系列《中斷功能》的內容。

⇒關于看門狗定時器請參照本系列的《定時器》的內容。

(1)首先，在產生中斷時，必須使運行中的程序入棧。

(2)在中斷處理 “入棧”時，將信息存放在堆棧指針指向的地址(堆棧)中。進行中斷處理時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)時的程序計數器的值，即原先的程序執(zhí)行到哪一步的信息(地址)。另外，顯示CPU內部狀態(tài)的信息和暫時保存的值也存放在堆棧中。

(3)如果CPU內部的信息存放在堆棧中且完成“交付”準備(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，所以程序計數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取決于所產生的中斷。