嵌入式编程中的基本概念

嵌入式编程中的基本概念主要有：

(1)体系结构
(2)端序
(3)字长
(4)边界对齐(字节对齐)
(5)处理器单元
(6)编程模型
(7)指令集
(8)堆栈

一、体系结构

       按照指令和数据是否统一编址，可以将计算机分成冯·诺伊曼体系结构和哈弗结构、
(1)冯·诺伊曼体系结构中，程序指令和数据连续存储,也就是指令和数据统一编址，这样程序指令和数据不能同时和处理器通信。
(2)哈佛体系结构的主要特点是把指令和数据分开进行存储，也就是说有程序存储器和数据存储器分别编址。很多嵌入式处理器采用这种体系结构，如DSP和8051单片机。近来, 出现了具有单一主要存储器、同时有分离的指令高速缓存和数据高速缓存的计算机，这种体系结构也被称为哈佛体系结构。

二、端序

     这个概念出现在多字节数据存储在内存的时候！
     物理内存到逻辑内存的映射有两种方式，一种被称为小端序(little-endian)，另一种被称为大端序(big-endian)。小端序模式中，多字节数据的低位字节放在低地址存储单元中；大端序中


，高位字节放在低地址存储单元中。Inter 80x86是小端序结构。
在C语言中，可以通过查看变量的内存分布或者使用Union来判断CPU的端序。


    在keil环境下 int i = 0x1234如何存放？大端还是小端序？
答：编译并调试，先找到i的内存地址&i,再查看该内存中变量i的分布情况，结合大小端的概念可以判断keil环境下是大端序。

三、字长

字长：就是CPU一次能从内存读取的比特数目。现在主流的 Intel奔腾微处理器字长是32位，以前的16位处理器字长是16。从处理器内部角度来看，这与处理器内部数据总线宽度、寄存器位数以及ALU相关。

四、字节对齐(又称边界对齐)

     从内存物理存储组织来看，内存是按“字”来寻址的。而在高级语言编程模型中，内存的逻辑模型是以字节为单位（byte-addressable），例如可以定义占用一个字节的字符类型变量。


程序中的字节可寻址是由中央处理器支持实现的，Intel CPU（以及其它CPU）具有对32位寄存器中的半字长和单字节长数据的操作指令，在对半字长数据和字节数据操作时，实际读入CPU


的是一个字长的数据。高级语言编译器负责数据在内存单元存储分配，也就是物理内存(图3-5)到逻辑内存的映射。基本的映射准则是保持“边界对齐”，也就是数据存放在起始地址能被4整除的存储单元中，这样对于整数数据的读取只需访问内存一次。对于半字长以及字节数据的存储分配，与其它因素相关，有时候会采用填充的方法以保证“边界对齐”。


      对于C51中的单片机诸如AT89C51来说，Keil环境下无须进行字节对齐，因为AT90C51本身的ROM只有4KB,RAM仅有256B，字长为8,而char占1byte，int,double等均大于1byte即字长，故无须采用字节边界对齐。


在keil环境下使用C语言，若有如下定义:
struct  s
  {
int        i;
char     ch;
double f;
  }item;
则结构变量item占用内存的字节数是多少？


答：sizeof(item)=2+1+4=7(字节),由于Keil环境下int占2字节，char占1字节，double占4字节，而AT89C51单片机等字长为8即1字节，故CPU至少一次或者多次访问内存才能取得变量值，


故无须采用边界对齐。


keil环境下C语言编程的快捷键
F5-运行至断点处 
F7-编译
 F10-单步调试（不进入函数内部） 
F11-单步调试  （进入函数内部） 
鼠标右键双击设置断点

五、处理器单元

     计算机的CPU分成ALU和控制器两部分。
     处理器的计算核心是算术逻辑单元(ALU)，ALU能够实现基本的算术运算和逻辑运算，以及存储和控制操作。不同处理器的ALU功能方面有一定的差异，但基本上都是在多位加法器基础上扩充功能，使得ALU能够进行多种基本运算。
    不同的处理器具有不同的寄存器组。
    一条指令的执行过程分为取指、译码、执行。
   指令的执行过程分为三个阶段：取指令、译码、执行指令。在冯.诺依曼体系计算机中，指令和数据按相似格式存放在同一个存储器中，读取指令的过程与读取数据的过程是相似的，也可以说指令地址总线以及指令总线是与数据地址总线、数据总线复用的。
    读入CPU的机器指令并不是一步执行完的，而是需要分解为更细微的操作（微操作），每个微操作按合适的次序驱动电子线路。例如考察指令 Add  R3, R1, R9的执行过程，至少在ALU在进行加法操作之前，要把寄存器R9和R1中的数据送入ALU，并在ALU计算完后，将结果存到寄存器R3。
     这种将机器指令转换为微操作的过程称为指令译码。指令译码的实现方式可以是基于硬件、通过指令译码器来实现，另外也可以基于软件、用微程序来实现。
    微程序(micro-program)通常放在只读存储器中，它实际上是一个解释器，先取得机器指令, 并通过一系列更基本的指令（微指令）执行这些指令。

六、编程模型

    这个概念是从汇编程序员角度描述的。
    所谓处理器编程模型，就是处理器内部对汇编程序员可见的通用寄存器，cpu只能通过这些寄存器获得存储器以及IO中的内容进行各种各样的运算处理，形成各种动作。
    由于处理器内部操作复杂，数据通路只能描述处理器的结构以及与内存、外设的交互方式，并不能细致地说明处理器的具体操作。编程模型主要从编程角度对处理器内部结构进行抽象，也就是主要考虑数据的存储，而忽略了数据的移动。简要地说，处理器编程模型是处理器内部对汇编程序员可见的数据通路部分。所谓“可见”是指可访问的意思，显然一些专用寄存器不包含在编程模型里。
    编程模型是从程序员视角出发，对处理器内部的静态描述，具体数据的移动和处理则由指令集来描述。描述处理器功能的指令全体构成指令集。
    对于汇编程序员，需要掌握编程模型和指令集。嵌入式软件工程师则至少应该理解编程模型。
    在嵌入式编程中，编程模型这一概念十分重要，比如8051的编程模型与ARM 编程模型的编程模型就不大一样。

七、指令集

   描述处理器基本功能的指令集合。

八、堆栈

      堆栈(stack)是函数调用机制的基础，也是一种很重要的数据结构，对于程序员来说，这是一个比较重要的概念。从数据结构角度来讲，堆栈具有“先进后出”(LIFO，Last In First Out)的特点。从数据存储的角度来讲，堆栈就是内存的一个连续区域，在函数调用时候通常用来保存程序的返回地址。
     处理器内部有一个专用寄存器保存着栈顶地址，称为堆栈指针(stack pointer)。堆栈操作只能从栈顶一侧访问数据。处理器支持两种堆栈操作，入栈和出栈。
    嵌入式中的堆栈共生长四种情况（在入栈的时候）：
    (1)满递增
    (2)满递减
    (3)空递增
    (4) 空递减
“递增”说明堆栈由低地址向高地址生长，所以栈底内存标号低于栈顶内存标号。“递减”则相反。
“满”说明堆栈指针SP先调整后再进行入栈操作。“空”则先入栈，SP后调整。
   另外，堆栈在函数调用和中断嵌套中被广泛使用。