程序设计(下)

不了解这些就无法使用单片机! 学习使用“外设功能”: 6 of 6

上期我们已经学习了将程序放在地址空间中,并在向量表中显示保存位置的内容。本期将介绍在执行程序及产生中断时CPU内会发生什么变化。

引导程序的运行―程序计数器

一般来说,程序就是计算机将所要进行的处理按顺序排列的指令集。在单片机中,将程序保存在地址空间(存储器 空间)中(上期曾介绍过),并由CPU来执行(处理)指令。假设地址空间中的一个地址保存一条指令,先执行某个地址中的指令(如“将值置位到CPU中”处理),接着执行下一个地址中的指令,接下来再执行下一个地址中的指令……,像这样通过连续执行指令,便可执行程序。

那么,CPU是如何判断执行指令的顺序呢?在单片机中,程序被执行的时候“程序计数器(PC)”的值也同时被更新。存放在CPU内的指令地址中,程序计数器存储有下一条CPU将要执行的指令所在的地址。执行了某个地址的指令后,下一个该执行哪个地址中的指令呢?这个答案由程序计数器来告诉你。

一般来说,程序被保存在连续的地址中, 再由CPU按顺序执行存放在各个地址中的指令。图1为程序计数器的示意图。图中,假定(1)执行地址1000h中的指令,(2)执行地址1000h中的指令后,程序计数器的値自动增加一个量并显示出下一个地址1001h,接下来,(3)CPU执行地址1001h中的指令。

图1:程序计数器

图1:程序计数器

那么,CPU执行最初的指 令时是一种什么状况呢?单片机在接通电源或是复位时,如上期所说明的,保存在向量表的复位地址中的値(程序的起始地址)将被转移到程序计数器中,该地址中的指令便得到执行(请参照上期的图2)。
⇒关于地址空间及向量表的内容,请参照本系列的第五期《程序设计(上)》。

改变程序的运行路径―转移指令

编写程序时,在执行完某个指令的处理后有时必须先执行保存“(非连续)的下一个地址”中的指令。此时,程序计数器的值将被改写,而所用的指令被称为“转移指令”。

图2所示是转移指令的示意图。图2示例中,(1)地址1000h中存放有转移指令,即将(2)程序计数器的值改写为下一个应执行的地址 (1100h)的指令。即CPU执行完1000h地址的指令(转移指令)后,接下来不是执行1001h地址的指令,而是执行(3)1100h地址的指令。

图2:转移指令

图2:转移指令

另外,在转移指令中,能够利用“从当前的程序计数器的值向前(更大的地址)/向后(更小的地址)移动”的方法来设定程序计数器的值 。

信息的暂时存放处―堆栈

执行程序时,在运算过程中仅仅依靠CPU内的数据保存位置(CPU内部寄存器)是不够的,有时需在主存储器中暂时存放信息。这种信息的暂时存放位置被称为“堆栈”,而存放“下一个(暂时)存放的信息地址”的就是“堆栈指针(SP)”。如果一开始就设定好堆栈的地址,那么堆栈指针将自动更新,且总是指示“下一个(暂时)存放的信息地址”。
⇒CPU内部寄存器等单片机的结构请参照《单片机入门(1)》。

如果执行“将该信息存放(有时也用 “堆积”)在堆栈”的指令,那么被指定的信息将会被写入堆栈指针所指定的地址中,且堆栈指针的值也将被更新为新的地址(一般为一个小地址)。该情形如图3所示。如果(1)CPU将信息存放在堆栈指针所指的地址中,则(2)堆栈指针的値将被更新,然后(3)堆栈指针指向下一个存放信息的位置。

图3:将信息存放在堆栈中

图3:将信息存放在堆栈中"

将存放在堆栈中的信息返回CPU时,也将用到堆栈指针。图4所示的是将信息返回时的情形。(1)更新堆栈指针的値(更新为 一个大的地址),(2)将暂时存放在堆栈中的信息返送回CPU。此时,(3)堆栈指针指向下一个写入地址(先前将信息返回CPU后空出的地址)。

图4:将信息从堆栈返回

图4:将信息从堆栈返回

但是堆栈中并非可无限制地保存信息。由于堆栈能使用的范围仅限于可改写的被称为RAM的存储器。如果信息存放量过多而导致堆栈超出了RAM的区域,程序将无法正常运行。

理解中断处理

本期是《活学活用单片机基础篇 学习“外设功能”》系列的最后一期。下面我们将以前介绍过的内容进行一个总结,并以此来理解单片机是如何运行(处理)的。

我们将以发生中断时的处理为例来进行思考(图5)。中断处理就是指在执行某个程序的过程中,由于某种原因(产生中断)而导致开始执行完全不同的程序。我们以来自外设功能之一的独立的看门狗计时器(WDT、所谓的Watch Dog即看门狗的意思)的中断为例来进行分析。在程序正常运行时独立的看门狗定时器将什么也不做,但是在程序失去控制,且没有按必要的步骤进行处理时就会产生中断。使失去控制的程序停下并让系统稳定停止的处理是由通过中断开始的程序来执行的。中断处理的流程请参照本系列第四期《中断功能》的图2。
⇒关于中断的结构和处理流程请参照本系列第四期 《中断功能》的内容。
⇒关于看门狗定时器请参照本系列的第二期《定时器》的内容。

图5:中断处理的流程

图5:中断处理的流程

  1. 首先,在产生中断时,必须使运行中的程序入栈。
  2. 在中断处理 “入栈”时,将信息存放在堆栈指针指向的地址(堆栈)中。进行中断处理时存放在堆栈中的信息就是正 在执行的原先的程序(被中断的程序)时的程序计数器的值,即原先的程序执行到哪一步的信息(地址)。另外,显示CPU内部状态的信息和暂时保存的值也存放 在堆栈中。
  3. 如果CPU内部的信息存放在堆栈中且完成“交付”准备(入栈)后,将执行中断程序。中断程序与正在执行的程序不同且所保 存的地址空间也不同,所以程序计数器的值与原先程序也完全不同。中断程序的起始位置将被写入向量表中。起始位置该写在向量表中的哪一项取决于所产生 的中断。
    例如,如果存在不可屏蔽中断(NMI,即CPU不能屏蔽的中断),那就从写有NMI项的地址开始进行处理(请参照本系列第五期《程序设计(上)》的图 2及图3)。
    ⇒使用向量表进行处理的流程在本系列的第五期《程序设计(上)》中进行解说。
  4. 如上所述,向量表的NMI项中的值(地址)将转移到程序计数器中, 并从该处开始执行。此外,如将数值设为0而产生错误时,或者欲存取到无存储器的位置时,CPU本身将产生中断并从向量表中读取开始处理的地址。此例中, 由于在检测到程序失控时是通过独立的看门狗定时器进行中断处理的,所以中断程序将使系统停止下来。
  5. 如为一般的周期性中断,那么,中断处理一结束,且在入栈时将存放在堆栈中的“执行原先执行程序时的信息”返回到CPU。最后返回程序计数器的值,并结束从中断返回的处理“出栈”。

开始中断程序时,通过来自外部的信号或从CPU本身发出的指令来开始入栈。出栈时使用“来自中断的出栈指令”,因此编程人员无需考虑“堆栈 中存放有什么信息又是按什么顺序来存放的?”等问题,仅需一条指令便可进行出栈处理。

结合上期《程序设计(上)》的内容,从执行程序的观点来分析 ,本期对于CPU中到底产生了什么变化进行了说明。程序存放在地址空间中,且在向量表中保存有起始地址,而且还有将信息暂时存放的被称为堆栈的内容等 等……,在进行嵌入式编程时,必须同时考虑这些内部动作后再进行编程。如果可通过程序对于更细微的部分发出指示,且能发挥出该单片机的能力的话,编程将变得更加容易。

本系列共分6期,本期为最后一期。尽管每一期都只介绍非常基础的内容,对于那些内容,我们也尽量做到即使对于完全不具备相关知识的读者也能看得懂。所以,请您也反复阅读,我们相信您一定会完全理解其内容的。

不了解这些就无法使用单片机!学习使用“外设功能”

  1. GPIO
  2. 定时器
  3. 串行通信
  4. 中断功能
  5. 程序设计(上)
  6. 程序设计(下)