单片机C程序编译、执行过程
eetrendMcu 2020-11-19

1、编写C代码:

1)预编译代码

2)定义及声明变量

3)定义及声明函数

4)编写程序代码(主函数MAIN)

2、编译器编译:

1) 预处理

此时编译器会扫描一个一个的C源文件,如果发现#include了某个.h文件,则把整个.h文件包含进.c文件中,形成一个新的.c文件(实际的实现过程可能不是这样,但原理是这样的)。同时进行相关预处理指令的解释工作,譬如将宏替换成实际的值。

2) 编译源文件

此时编译器会扫描经过第1步之后新生成的源文件,把源代码编译成机器码,生成目标文件。如果发现某个类型不是编译器自含的类型,如一些自定义的结构体等,那就会在源文件中查找这个类型,看看是否可以找到这个类型的声明,如果找不到,则报错。所有的函数只会在编译时生成一个符号,不查找其实体是否存在。不过如果发现在使用这个函数的代码行之前未能发现此函数的声明,编译器会给出警告:隐式的函数调用。

3) 链接所有的目标文件

此时编译器就会收集所有目标文件中的符号,例如函数符号,并且查找其实体,如果找不到,则报错;无错的话会给这些符号分配真正的地址,分配了地址后,就会替换每个目标文件中的符号为实际地址,然后合并所有的目标文件为一个可执行文件。

3、编译后的二进制文件:

1)编译后的二进制码,实际就是把C程序编译成了一句句二进制机器指令。

2)大概开始是告诉单片机,在RAM中分配外部变量、全局变量、静态变量等等工作。

3)然后就是将C程序代码编译成二进制机器指令。(什么时候把什么地址的数取出来进行什么操作然后放在什么地址或寄存器,这些个事了)

4)执行完RAM分配、为变量(全局变量和静态变量)开辟完空间的指令后,程序指针指到主函数main()处,继续向下一步一步移动,执行初始化机器指令。

5)遇到调用函数,就会有将主函数中函数调用后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址、函数的各个参数、函数中的局部变量等按照顺序进行压栈,然后程序指针跳转到要调用的函数入口地址处,执行函数内部机器代码,执行完成后按照顺序出栈处理,程序指针返回到函数调用后的下一条指令继续向下执行等机器代码。

6)遇到中断,就会有类似函数调用(压栈、出栈等)的机器代码,因为执行中断函数,也是一个函数,原理同普通函数相类似。不同之处,根据不同的中断,程序指针需要先跳转至中断向量表的地址处,根据中断向量表再跳转到中断函数地址处,执行中断函数。

7)程序指针在while()循环里从开始到结束,再跳转到开始到结束,无限循环的执行指令。期间遇到函数或中断,处理方法与5)、6)相同。

4、编译后的hex文件烧录进单片机:

1)hex文件烧录进单片机后,保存在单片机的FLASH区里,其实就是一堆指令代码。

2)单片机上电复位后,程序指针自动指向FLASH区的第一条指令上,然后单片机逐一读取指令,按照指令要求去干自己的工作。

ISP和IAP的区别

ISP(In-System Programming)在系统可编程,指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码, 而不需要从电路板上取下器件,已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。IAP(In-Application Programming) 指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程,即可用程序来改变程序。ISP和IAP技术是未来仪器仪表的发展方向。

1、 ISP和IAP的工作原理

ISP的实现相对要简单一些,一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过SPI或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上,只要留出和上位机接口的这个串口,就可以实现芯片内部存储器的改写,而无须再取下芯片。
IAP的实现相对要复杂一些,在实现IAP功能时, 单片机内部一定要有两块存储区,一般一块被称为BOOT区,另外一块被称为存储区。单片机上电运行在BOOT区,如果有外部改写程序的条件满足,则对存储区的程序进行改写操作。如果外部改写程序的条件不满足,程序指针跳到存储区,开始执行放在存储区的程序,这样便实现了IAP功能。

2、 ISP和IAP在单片机中的应用

2.1 传统编程方法的不足

在一般的单片机的实验或开发时,编程器是必不可少的装置。仿真、调试完的程序需要借助编程器烧到单片机内部或外接的程序存储器中。普通的编程器价格从几百元到几千元不等,对于一般的单片机用户来说还是一笔不小的开支。另外,在开发过程中,程序每改动一次就要拔下电路板上的芯片编程后再插上,这样不但麻烦也很容易对芯片和电路板造成损伤,另外在程序需要升级做改动时,必须将设备返厂或是技术人员到现场操作,既不方便也造成成本浪费。

2.2 ISP和IAP的优点

ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发,单片机芯片可以直接焊接到电路板上,调试结束即成成品,免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便。

IAP技术是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体,当运行一个存储体上的用户程序时,可对另一个存储体重新编程,之后将程序从一个存储体转向另一个。

ISP的实现一般需要很少的外部电路辅助实现, 而IAP的实现更加灵活,通常可利用单片机的串行口接到计算机的RS232口,通过专门设计的固件程序来编程内部存储器,可以通过现有的INTERNET或其它通讯方式很方便地实现远程升级和维护。

2.3 产品分析

目前市场上不少的单片机具有ISP和IAP功能。

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