单片机与程序设计（下）

　　在《单片机与程序设计（上）》中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。本期是这一系列的最后一期，将会介绍在执行程序及产生中断时CPU内会发生什么变化。

　　引导程序的运行―程序计数器

　　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（上期曾介绍过），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。

　　

　　那么，CPU执行最初的指令时是一种什么状况呢？单片机在接通电源或是复位时，如上期所说明的，保存在向量表的复位地址中的値（程序的起始地址）将被转移到程序计数器中，该地址中的指令便得到执行（请参照上期的图2）。

　　⇒关于地址空间及向量表的内容，请参照本系列的第五期《单片机与程序设计（上）》。

　　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。

　　

　　另外，在转移指令中，能够利用“从当前的程序计数器的值向前（更大的地址）／向后（更小的地址）移动”的方法来设定程序计数器的值。

　　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。

　　

　　将存放在堆栈中的信息返回CPU时，也将用到堆栈指针。图4所示的是将信息返回时的情形。（1）更新堆栈指针的値（更新为一个大的地址），（2）将暂时存放在堆栈中的信息返送回CPU。此时，（3）堆栈指针指向下一个写入地址（先前将信息返回CPU后空出的地址）。

　　

　　但是堆栈中并非可无限制地保存信息。由于堆栈能使用的范围仅限于可改写的被称为RAM的存储器。如果信息存放量过多而导致堆栈超出了RAM的区域，程序将无法正常运行。