单片机内置了非常便于使用的外设功能。但是，如果要有效地运行单片机，程序是不可或缺的，那么程序到底是如何运行的呢？本期我们将向大家介绍单片机与程序的关系。
单片机的存储器
首先来了解存储器﹑主存储器和外置存储器的两种作用
记忆（保存）程序和数据的地方即存储器。存储器有以下两种类型。
- 主存储器CPU能够直接进行存取的存储器，用于保存正在执行中的程序和数据
- 外置存储器（辅助存储器、二级缓存器）不能从CPU直接进行存取，需通过USB或串行、并行的各种I/O来进行存取，用于保存不在执行当中（处理中）的应用和数据
外置存储器中的程序需传送到主存储器后才能执行。关于单片机的存储器，常会看到ROM（Read Only Memory：只读存储器）和RAM（Random Access Memory：可读写存储器）等词汇，其实ROM和RAM仅是表示存储器性质，而与存储器的作用无关。（请参考单片机入门(1)，了解单片机的基本结构和操作）
地址空间（内存空间）
CPU能够直接进行读写的所有空间被称为“地址空间（或内存空间）”。这个地址空间的每个字节都标注有号码。这个号码称为“地址(address)”，一般以十六进制来表示。上面所介绍过的主存储器都包含在地址空间内。
根据不同用途，单片机的CPU已开发出了4位、8位、16位和32位。在GR-SAKURA中使用的RX63N单片机搭载了32位的CPU，因此也被称为“32位单片机”。那么，单片机所拥有的地址空间容量到底有多少呢？以RX63N为例，由于是32位的CPU，因此最大能够指定约40亿（2的32次方）个地址。确切地说是4,294,967,296（4x1024x1024x1024）个地址。由于一个地址可以记忆一个字节，这时也可以表示为具有“4GB（千兆字节）的地址空间”。地址空间的容量越大越能搭载大容量的存储器， 也可容纳更大的程序。因此能够实现更高功能的应用。
32位字节的CPU所拥有的４G字节的地址空间示例如图1所示。左边所示的是以十六进制标示的地址。由于一列保存有4个字节（=32位），所以左边所标记的地址就是每4个地址的值。
计算机的单位：位、字节、兆、千兆和兆兆（太）
数据的基本单位是位（b=bit），每个位的值为"0"或"1"。8位为1个字节（B=Byte）。例如，3个字节（3×8位）等同于24位。
- 1KB（千字节）＝2的10次方 ＝ 1,024 字节
- 1MB（兆字节）＝1,024KB ＝ 2的20次方 1,048,576 字节
- 1GB（千兆字节）＝1,024MB ＝ 2的30次方 ＝ 1,073,741,824 字节
- 1TB（太字节）＝1,024GB ＝ 2的40次方 ＝ 1,099,511,627,776字节
表示地址的十六进制指的是什么？
地址空间内的地址以16进制来表示。例如，拥有16位（2的16次方）大小的地址空间中，如果以10进制来表示，就是“从地址0到地址65535”，如果以16进制来表示，则是从“地址0h到地址FFFFh”。在10进制中，每一位所取的值都在0到9之间，而在16进制中，则是0到F（相当于10进制的15）。以16进制表示的数，最后都有一个“h”，标明是以16进制来表示的。
程序保存在哪儿呢？（向量表）
那么，程序被保存在地址空间的什么地方，又是怎么样开始工作的呢？单片机复位后便开始执行最优先程序。复位是在接通电源或接收到复位信号时发生。实际上，这种“开始执行最优先程序”处理中，有如下所示的两种方法。
即开始执行程序时，有将执行程序的起始地址设为固定的CPU及将之设为可变地址的CPU。
在将起始地址设为固定的CPU中，大多是从地址0（地址空间中最小的地址）开始执行。这就是程序开始的地点。而且，有时要事先在地址0中实现写入“下一个要执行的是地址○○”的跳转(Jump)指令，并将程序预先放置在“地址○○”中。如果改写“地址○○”，将可获得与将起始地址设为可变地址同样的效果。
将起始地址设为可变地址的CPU将起始地址写入被称为“向量表”的部分中（图2）。向量表是只存放地址空间中各种起始地址的特定区域的名称。一般来说是它放置在地址空间中最大地址的部分。
Handling)的起始地址。也正因为保存了发生中断及异常处理等因多种事由的起始地址，所以才被称为“表(Table)”。我们来设想一下使用了向量表的程序处理的情况。图3表示出了发生非屏蔽中断（NMI） (*1) 时的处理流程例。
- 产生NMI，
- 读取写在向量表的NMI的起始地址（此例中为10000000h），
- 执行所读取地址（10000000h）中的NMI程序。
02
引导程序的运行―程序计数器
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。接下来将介绍在执行程序及产生中断时CPU内会发生什么变化。
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，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。
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。
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。
理解中断处理
图5：中断处理的流程
- 首先，在产生中断时，必须使运行中的程序入栈。
-
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。 -
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（请参照本文第一节的图 2及图3）。
⇒使用向量表进行处理的流程在本文第一节中进行解说。 -
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。 - 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。结合本文第一节的内容，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。
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