在《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)（上）》中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了將程序放在地址空間中，并在向量表中顯示保存位置的內(nèi)容。本期是這一系列的一期，將會(huì)介紹在執(zhí)行程序及產(chǎn)生中斷時(shí)CPU內(nèi)會(huì)發(fā)生什么變化。

　　引導(dǎo)程序的運(yùn)行―程序計(jì)數(shù)器

　　一般來(lái)說(shuō)，程序就是計(jì)算機(jī)將所要進(jìn)行的處理按順序排列的指令集。在單片機(jī)中，將程序保存在地址空間（存儲(chǔ)器空間）中（上期曾介紹過(guò)），并由CPU來(lái)執(zhí)行（處理）指令。假設(shè)地址空間中的一個(gè)地址保存一條指令，先執(zhí)行某個(gè)地址中的指令（如“將值置位到CPU中”處理），接著執(zhí)行下一個(gè)地址中的指令，接下來(lái)再執(zhí)行下一個(gè)地址中的指令……，像這樣通過(guò)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(jī)中，程序被執(zhí)行的時(shí)候“程序計(jì)數(shù)器（PC）”的值也同時(shí)被更新。存放在CPU內(nèi)的指令地址中，程序計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)有下一條CPU將要執(zhí)行的指令所在的地址。執(zhí)行了某個(gè)地址的指令后，下一個(gè)該執(zhí)行哪個(gè)地址中的指令呢？這個(gè)答案由程序計(jì)數(shù)器來(lái)告訴你。

　　一般來(lái)說(shuō)，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(gè)地址中的指令。圖１為程序計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器的値自動(dòng)增加一個(gè)量并顯示出下一個(gè)地址1001h，接下來(lái)，（3）CPU執(zhí)行地址1001h中的指令。

　　那么，CPU執(zhí)行初的指令時(shí)是一種什么狀況呢？單片機(jī)在接通電源或是復(fù)位時(shí)，如上期所說(shuō)明的，保存在向量表的復(fù)位地址中的値（程序的起始地址）將被轉(zhuǎn)移到程序計(jì)數(shù)器中，該地址中的指令便得到執(zhí)行（請(qǐng)參照上期的圖2）。

　　⇒關(guān)于地址空間及向量表的內(nèi)容，請(qǐng)參照本系列的第五期《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)（上）》。

　　改變程序的運(yùn)行路徑―轉(zhuǎn)移指令

　　編寫(xiě)程序時(shí)，在執(zhí)行完某個(gè)指令的處理后有時(shí)必須先執(zhí)行保存“（非連續(xù)）的下一個(gè)地址”中的指令。此時(shí)，程序計(jì)數(shù)器的值將被改寫(xiě)，而所用的指令被稱為“轉(zhuǎn)移指令”。

　　圖2所示是轉(zhuǎn)移指令的示意圖。圖2示例中，（1）地址1000h中存放有轉(zhuǎn)移指令，即將（2）程序計(jì)數(shù)器的值改寫(xiě)為下一個(gè)應(yīng)執(zhí)行的地址（1100h）的指令。即CPU執(zhí)行完1000h地址的指令（轉(zhuǎn)移指令）后，接下來(lái)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(zhuǎn)移指令中，能夠利用“從當(dāng)前的程序計(jì)數(shù)器的值向前（更大的地址）／向后（更小的地址）移動(dòng)”的方法來(lái)設(shè)定程序計(jì)數(shù)器的值。

　　信息的暫時(shí)存放處―堆棧

　　執(zhí)行程序時(shí)，在運(yùn)算過(guò)程中僅僅依靠CPU內(nèi)的數(shù)據(jù)保存位置（CPU內(nèi)部寄存器）是不夠的，有時(shí)需在主存儲(chǔ)器中暫時(shí)存放信息。這種信息的暫時(shí)存放位置被稱為“堆棧”，而存放“下一個(gè)（暫時(shí)）存放的信息地址”的就是“堆棧指針（SP）”。如果一開(kāi)始就設(shè)定好堆棧的地址，那么堆棧指針將自動(dòng)更新，且總是指示“下一個(gè)（暫時(shí)）存放的信息地址”。

　　⇒CPU內(nèi)部寄存器等單片機(jī)的結(jié)構(gòu)請(qǐng)參照《單片機(jī)入門(mén)（1）》。

　　如果執(zhí)行“將該信息存放（有時(shí)也用“堆積”）在堆棧”的指令，那么被指定的信息將會(huì)被寫(xiě)入堆棧指針?biāo)付ǖ牡刂分校叶褩Ｖ羔樀闹狄矊⒈桓聻樾碌牡刂罚ㄒ话銥橐粋€(gè)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?biāo)傅牡刂分校瑒t（2）堆棧指針的値將被更新，然后（3）堆棧指針指向下一個(gè)存放信息的位置。

　　將存放在堆棧中的信息返回CPU時(shí)，也將用到堆棧指針。圖4所示的是將信息返回時(shí)的情形。（1）更新堆棧指針的値（更新為一個(gè)大的地址），（2）將暫時(shí)存放在堆棧中的信息返送回CPU。此時(shí)，（3）堆棧指針指向下一個(gè)寫(xiě)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(wú)限制地保存信息。由于堆棧能使用的范圍僅限于可改寫(xiě)的被稱為RAM的存儲(chǔ)器。如果信息存放量過(guò)多而導(dǎo)致堆棧超出了RAM的區(qū)域，程序?qū)o(wú)法正常運(yùn)行。

　　理解中斷處理

　　本期是本系列的一期。下面我們將以前介紹過(guò)的內(nèi)容進(jìn)行一個(gè)總結(jié)，并以此來(lái)理解單片機(jī)是如何運(yùn)行（處理）的。

　　我們將以發(fā)生中斷時(shí)的處理為例來(lái)進(jìn)行思考（圖5）。中斷處理就是指在執(zhí)行某個(gè)程序的過(guò)程中，由于某種原因（產(chǎn)生中斷）而導(dǎo)致開(kāi)始執(zhí)行完全不同的程序。我們以來(lái)自外設(shè)功能之一的獨(dú)立的看門(mén)狗計(jì)時(shí)器（WDT、所謂的Watch Dog即看門(mén)狗的意思）的中斷為例來(lái)進(jìn)行分析。在程序正常運(yùn)行時(shí)獨(dú)立的看門(mén)狗定時(shí)器將什么也不做，但是在程序失去控制，且沒(méi)有按必要的步驟進(jìn)行處理時(shí)就會(huì)產(chǎn)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(guò)中斷開(kāi)始的程序來(lái)執(zhí)行的。中斷處理的流程請(qǐng)參照本系列《中斷功能》的圖2。

　　⇒關(guān)于中斷的結(jié)構(gòu)和處理流程請(qǐng)參照本系列《中斷功能》的內(nèi)容。

　　⇒關(guān)于看門(mén)狗定時(shí)器請(qǐng)參照本系列的《定時(shí)器》的內(nèi)容。

　　（1）首先，在產(chǎn)生中斷時(shí)，必須使運(yùn)行中的程序入棧。

　　（2）在中斷處理 “入棧”時(shí)，將信息存放在堆棧指針指向的地址（堆棧）中。進(jìn)行中斷處理時(shí)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(shí)的程序計(jì)數(shù)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(nèi)部狀態(tài)的信息和暫時(shí)保存的值也存放在堆棧中。

　　（3）如果CPU內(nèi)部的信息存放在堆棧中且完成“交付”準(zhǔn)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(jì)數(shù)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(xiě)入向量表中。起始位置該寫(xiě)在向量表中的哪一項(xiàng)取決于所產(chǎn)生的中斷。

　　例如，如果存在不可屏蔽中斷（NMI，即CPU不能屏蔽的中斷），那就從寫(xiě)有NMI項(xiàng)的地址開(kāi)始進(jìn)行處理（請(qǐng)參照《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)（上）》的圖2及圖3）。

　　⇒使用向量表進(jìn)行處理的流程在本系列《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)（上）》中進(jìn)行解說(shuō)。

　　（4）如上所述，向量表的NMI項(xiàng)中的值（地址）將轉(zhuǎn)移到程序計(jì)數(shù)器中，并從該處開(kāi)始執(zhí)行。此外，如將數(shù)值設(shè)為0而產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)，或者欲存取到無(wú)存儲(chǔ)器的位置時(shí)，CPU本身將產(chǎn)生中斷并從向量表中讀取開(kāi)始處理的地址。此例中，由于在檢測(cè)到程序失控時(shí)是通過(guò)獨(dú)立的看門(mén)狗定時(shí)器進(jìn)行中斷處理的，所以中斷程序?qū)⑹瓜到y(tǒng)停止下來(lái)。

　　（5）如為一般的周期性中斷，那么，中斷處理一結(jié)束，且在入棧時(shí)將存放在堆棧中的“執(zhí)行原先執(zhí)行程序時(shí)的信息”返回到CPU。返回程序計(jì)數(shù)器的值，并結(jié)束從中斷返回的處理“出棧”。

　　開(kāi)始中斷程序時(shí)，通過(guò)來(lái)自外部的信號(hào)或從CPU本身發(fā)出的指令來(lái)開(kāi)始入棧。出棧時(shí)使用“來(lái)自中斷的出棧指令”，因此編程人員無(wú)需考慮“堆棧中存放有什么信息又是按什么順序來(lái)存放的？”等問(wèn)題，僅需一條指令便可進(jìn)行出棧處理。

　　結(jié)合上期《單片機(jī)與程序設(shè)計(jì)（上）》的內(nèi)容，從執(zhí)行程序的觀點(diǎn)來(lái)分析，本期對(duì)于CPU中到底產(chǎn)生了什么變化進(jìn)行了說(shuō)明。程序存放在地址空間中，且在向量表中保存有起始地址，而且還有將信息暫時(shí)存放的被稱為堆棧的內(nèi)容等等……，在進(jìn)行嵌入式編程時(shí)，必須同時(shí)考慮這些內(nèi)部動(dòng)作后再進(jìn)行編程。如果可通過(guò)程序?qū)τ诟?xì)微的部分發(fā)出指示，且能發(fā)揮出該單片機(jī)的能力的話，編程將變得更加容易。

　　本系列共分4期，本期為一期。盡管每一期都只介紹非常基礎(chǔ)的內(nèi)容，對(duì)于那些內(nèi)容，我們也盡量做到即使對(duì)于完全不具備相關(guān)知識(shí)的讀者也能看得懂。所以，請(qǐng)您也反復(fù)閱讀，我們相信您一定會(huì)完全理解其內(nèi)容的。