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1 简介
要了解微控制器如何运行程序，首先需要了解微控制器的组成。 本文以80C51单片机为例，告诉大家程序在单片机中是如何运行的。
2、单片机的组成
8051单片机的内部硬件结构包括：
3 单片机启动流程
单片机的启动过程是，上电后，首先运行芯片内部的固有程序（该程序用户无法访问或改写），即启动代码。 启动代码程序建立运行环境后，会读取串口状态，即用户下载程序所使用的各个端口，以确定用户是否正在使用该端口准备下载程序。
如果有，则根据用户的请求将用户程序下载到指定地址。 如果没有，则跳转到下载的用户程序入口，从而将芯片控制权交给用户程序。 如果新芯片还没有下载，则一直停留在读取串口状态的循环中。
启动代码通常编程在闪存中。 它是系统一开机就执行的程序。 它在任何用户 C 代码之前运行。 上电后，arm处理器处于arm状态，运行在管理模式。 同时，所有系统中断被禁止，PC到地址0取指令执行。
一个可执行的映像文件必须有一个入口点，并且可以放在rom开头的映像文件的入口地址也必须设置为0。在汇编语言中，可以自己定义程序的入口点。 当项目中有多个入口点时，需要在连接器中使用-entry来表示程序的入口点。
如果用户创建的程序包含main函数，那么还会有一个对应C库初始化代码的入口点。 一般来说，启动代码主要完成两个方面的工作。 一是初始化执行环境，如中断向量表、堆栈、I/O等； 另一个是初始化C 库和用户应用程序。
第一阶段，启动代码的过程可以描述为：
PC等带有系统的设备在开机时，处理过程与微控制器类似，只是读取BIOS并完成许多初始化操作。 最后，调用系统的初始化函数，并将控制权交给操作员。 系统，于是我们看到Windows和Linux系统都启动了。
如果把操作系统想象成一个运行在处理器上的大型裸机程序（也就是直接运行在硬件上的程序，因为操作系统直接运行在CPU上），那么操作系统的启动就是很像MCU的启动程序。 前者有庞大的初始化程序来完成非常复杂的初始化，后者有简短的汇编代码来完成一些简单的初始化。
如果系统上的某个程序启动了怎么办？ 它们是由系统决定的。 Linux的shell中输入./p后，首先检查是否是shell内置命令； 如果不是，shell就假定它是一个可执行文件（Linux上一般为elf格式），然后调用一些相关函数将硬盘上的p文件内容复制到内存（DDR RAM），并建立运行环境对于它（当然还有内存映射、虚拟内存、连接和加载等等其他东西），准备执行。
从上面可以看出，单片机上的程序和平时系统上运行的程序在启动时有很大的不同。 如果将程序调用main之前的动作抽象为初始化，则程序的启动可以简化为：设置并运行环境+调用main函数，程序的执行没有太大区别。
由于单片机上运行的程序（裸机程序）与操作系统运行在同一硬件上，因此属于同一级别。 以前我们之所以没有区分单片机上的程序和PC上的程序的一些区别，就是因为不了解这一点。
4. 程序执行
关于程序执行时从哪里读取指令、从哪里读取数据，我困惑了很长一段时间，因为我不明白系统上的程序和裸机程序的区别。
程序在单片机中的运行过程分为几个步骤：取指令、分析指令和执行指令：
虽然我们在《微机原理》课上知道，程序运行时，会从内存中读取指令和数据来执行并写回。 但单片机上的RAM只有几K，而flash通常有几十K甚至1M。 这时，指令和数据都在内存中了吗？
这里所说的内存仅指RAM，因为我们在PC上常指的内存就是DDR RAM内存。 我们先入为主地认为微控制器也是如此，我们还没有理解RAM和Flash都是存储器。
这是不可能的，因为老师在课堂上只讲内存，但PC上的内存通常是DDR RAM，而不是保存数据的硬盘。 当进行这种比较时，我很困惑。 单片机的RAM对应DDR RAM，那么Flash对应硬盘吗？ 我在CSAPP上找到了答案。 PC 使用 DDR RAM 的原因是速度。
硬盘速度太慢。 即便是即将推出的SSD，仍然落后DDRRAM几个数量级，因此被复制到DDRRAM上。 此时，程序的代码和数据是连续存储的，代码段为只读区域，数据段为读写区域（这是由操作系统的内存管理机制决定的）。
运行时，它们被复制到更快的SRAM以获得更快的执行速度。 对于微控制器来说，工作频率只有几Mbit或几十Mbit。 从Flash读取和从RAM读取的区别可能并不明显，也不会成为程序执行的瓶颈。 对于PC来说，Flash太慢了，DDRRAM也很慢，甚至SRAM也慢得多。 因此，提高工作频率并不能提高程序的执行速度。 因此，现在最快的CPU工作频率是在2003年左右，出现了瓶颈。
5 举个例子
打开后，程序计算器 PC 变为 0000H。 然后单片机在时序电路的作用下自动进入执行程序过程。 执行过程实际上是一个取指令（取之前存储在内存中的指令）和执行指令（分析并执行指令）的循环过程。
例如，执行指令：MOV A,#0E0H，其机器码为74H E0H。 该指令的作用是将操作数E0H送至累加器。 74H已存储在单元0000H中，E0H已存储在单元0001H中。 当单片机开始运行时，首先进入取指令阶段，其顺序为：
6 多线程执行程序
为了提高CPU的使用率，就要从另一个角度来思考。 由于程序的执行时间无法减少，因此可以同时执行更多的程序。 一个核心执行一个程序，两个核心可以执行两个程序。 所以多核CPU已经成为现在的主流。
因此，裸机程序指令存放在Flash（闪存）中，数据则放在RAM中（Flash的写入次数有限，其速度与RAM还是有很大差距）。 更广泛地说，在微控制器上，RAM存储数据段、bss段和堆栈段； ROM（EPROM、EEPROM、Flash等非易失性存储器件）存储代码和只读数据段。
本质上，这与 PC 上的程序存储在 RAM 中相同。 在PC上，操作系统规定了可读性和可写性，而在微控制器上，则通过不同的存储设备来区分可读性和可写性。
当然，今天的Flash是可读写的。 如果Flash没有写入次数限制，而且速度可以和RAM差不多，那么单片机是不是就只需要Flash了（直接相当于PC上的DDRRAM）？ 这样成本会比RAM或者Flash更低，对厂商来说更划算，更划算。
7 数据存储与读取
对于单片机程序执行过程中指令和数据的存储和读取，理解如下：
对单片机进行编程后，程序的代码段、数据段、bss段、rodata段等都存储在Flash中。 当单片机上电时，初始化汇编代码将数据段和bss段复制到RAM，建立堆栈，并开始调用程序的主函数。
之后是程序存储器和数据存储器。 在运行时，从Flash（即指令存储器、代码存储器）读取指令，从RAM读取和写入数据。 RAM 的目的是更快。
无论是微控制器还是PC，现有的内存金字塔都是一样的。 速度因素和成本限制导致一级更快的存储器速度更快，成本更高。 应该说，对它们的理解就是对记忆金字塔的理解。
