單片機(jī)底層是怎么運(yùn)行的

匯編可以說(shuō)是編程語(yǔ)言的鼻祖，說(shuō)句不好聽(tīng)的話(huà)程序員不知道一些匯編知識(shí)還真算不上是真正意義上的程序員。匯編語(yǔ)言是舉例機(jī)器語(yǔ)言最近的編程語(yǔ)言，各種控制芯片的底層執(zhí)行原理就是一堆機(jī)器代碼在控制著一堆邏輯器件。他們是怎么運(yùn)作的呢？接下來(lái)我將以51單片機(jī)為例來(lái)嘗試將它們關(guān)系理順，讓你喜歡上編程這種有趣的工作。

還是從微機(jī)原理講起

為啥要從《微機(jī)原理》說(shuō)起呢？因?yàn)樗且槐炯兇庵v解計(jì)算機(jī)底層系統(tǒng)的的基礎(chǔ)書(shū)籍，很多有關(guān)計(jì)算機(jī)原始設(shè)計(jì)的知識(shí)都可以在這里找到答案，所以建議大家如果對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不太熟悉應(yīng)該多看幾遍，有些東西看著看著就會(huì)了。當(dāng)你愿意靜下心來(lái)看書(shū)籍的時(shí)候某些書(shū)本上沒(méi)有的答案你才會(huì)主動(dòng)去尋求解答，我覺(jué)得這才是真正有意義的大學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程。其實(shí)我們的大學(xué)教材很多是不完整的，特別是基礎(chǔ)性知識(shí)，可能在注解或文后參考文獻(xiàn)才會(huì)有些提示。有些知識(shí)點(diǎn)你就不可能在教材上找得到答案，而是要去圖書(shū)館或者官方手冊(cè)或網(wǎng)站查詢(xún)才能獲得解釋。

我并不是說(shuō)編寫(xiě)教材的人水平有問(wèn)題或做的不對(duì)，恰恰相反，能作為高校教材的經(jīng)典的書(shū)籍，編者的水平在國(guó)內(nèi)絕對(duì)是該領(lǐng)域有名的專(zhuān)家。他們出書(shū)安排的本意也是希望學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)，多去了解，拓展知識(shí)，畢竟教材的厚度有限，知識(shí)日新月異，涉及的幾乎無(wú)限。大學(xué)本應(yīng)該是一個(gè)自主求學(xué)的地方，那些老教授他們當(dāng)初是在基礎(chǔ)條件匱乏的環(huán)境中突破一層層障礙成長(zhǎng)起來(lái)的，寫(xiě)教材也肯定用心良苦。

只是他們的教材傳到學(xué)生手里就變成一部分人要依賴(lài)?yán)蠋焺澲攸c(diǎn)才能及格的境地，這種情況持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)了，就總會(huì)有些是原來(lái)學(xué)的馬馬虎虎的學(xué)生來(lái)學(xué)校當(dāng)老師了，本來(lái)自己沒(méi)整明白，學(xué)生似乎也不太想整明白，到最后教的內(nèi)容就只能照著書(shū)本找答案了。當(dāng)然肯定不是所有老師都這樣，在教學(xué)的過(guò)程中很多年輕老師還是隨著資歷提升授課水平也不斷提升，前面的少數(shù)代表不了整體，所幸我在大學(xué)遇到的老師都挺好，只怪自己當(dāng)初不給力，沒(méi)能得到真?zhèn)?，今天剛好又是教師?jié)，祝福天下老師節(jié)日快樂(lè)！

linux之父linus在大學(xué)期間設(shè)計(jì)出了第一版linux系統(tǒng)，我只能說(shuō)他真是天才般的存在，那時(shí)的條件與我們所處環(huán)境相比，幾乎一個(gè)人完完整整設(shè)計(jì)出了一整套系統(tǒng)，所需腦力何其巨大！在校時(shí)我還專(zhuān)門(mén)讀過(guò)他的源碼，即便一共只有萬(wàn)把行代碼，很多都難以理解的，看了這頁(yè)忘了那頁(yè)都是常事，最后也沒(méi)領(lǐng)會(huì)它的真諦，沒(méi)過(guò)多久就忘得差不多了，現(xiàn)在若有人叫我去看他的源碼，我會(huì)直截告訴他，算了吧，我真不是那塊料，我還是干好我的本分事吧。有興趣的朋友可以去看看他的代碼，但是不建議初學(xué)者看，至少能熟練運(yùn)用C語(yǔ)言，有匯編基礎(chǔ)才能看，否則對(duì)你學(xué)習(xí)百害無(wú)一利！

《微機(jī)原理》這門(mén)課程中主要是以英特爾的80x86芯片介紹來(lái)計(jì)算機(jī)的底層原理，一般情況下，計(jì)算機(jī)，電子相關(guān)專(zhuān)業(yè)的同學(xué)在完成計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和C語(yǔ)言（或其他某高級(jí)語(yǔ)言）的學(xué)習(xí)之后，就會(huì)從微觀方面來(lái)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！段C(jī)原理》中就會(huì)介紹計(jì)算機(jī)的數(shù)制、編碼，CPU的由來(lái)，以及內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)，然后就引出了80x86芯片，這些內(nèi)容結(jié)合已學(xué)的知識(shí)多數(shù)人都應(yīng)該容易理解。

上面這個(gè)圖很眼熟吧，51單片機(jī)也有類(lèi)似結(jié)構(gòu)，接著課本就進(jìn)入到了80x86指令系統(tǒng)的介紹，覺(jué)得《微機(jī)原理》很難的同學(xué)應(yīng)該就是從這開(kāi)始迷茫的吧，什么立即尋址，直接尋址，寄存器間接尋址，基址變址尋址等等一大堆讓人頭疼的概念。外加各種指令，操作符，又是地址，又是內(nèi)存，又是寄存器，存儲(chǔ)單元的，這些看這都?jí)蜓刍潄y了，老師還叫你背下來(lái)說(shuō)期末要填空，不是要了老命嗎，對(duì)不對(duì)？練習(xí)題里給你一段代碼然后給出如下圖這樣的示意圖，問(wèn)你能不能整明白啥是啥，啥等于啥？這能不暈？老師都能給你真暈。

看了上面的舉例看暈的沒(méi)？如果看暈了那我的目的就達(dá)到了，接下來(lái)我接給你整明白它。

接下來(lái)

匯編語(yǔ)言怎么對(duì)應(yīng)機(jī)器語(yǔ)言

上面說(shuō)了這么多匯編語(yǔ)言相關(guān)的內(nèi)容越說(shuō)越迷糊了，要解決疑惑，首先來(lái)認(rèn)識(shí)一下維基百科對(duì)匯編語(yǔ)言的定義。

匯編語(yǔ)言（英語(yǔ)：assembly language：匯編語(yǔ)言）是任何一種用于電子計(jì)算機(jī)、微處理器、微控制器，或其他可編程器件的低級(jí)語(yǔ)言。在不同的設(shè)備中，匯編語(yǔ)言對(duì)應(yīng)著不同的機(jī)器語(yǔ)言指令集。一種匯編語(yǔ)言專(zhuān)用于某種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而不像許多高級(jí)語(yǔ)言，可以在不同系統(tǒng)平臺(tái)之間移植。

從定義可以知道的信息是：匯編可以存在于任何一種帶控制功能的芯片中，但每種控制芯片支持的匯編語(yǔ)言不一定一樣！為什么會(huì)這樣呢？芯片廠商設(shè)計(jì)一款芯片定義它的邏輯功能的同時(shí)肯定就定義好了它的操作指令，所以現(xiàn)在我們會(huì)聽(tīng)到有各種架構(gòu)的芯片存在，每一種架構(gòu)實(shí)際都是一套指令系統(tǒng)，比如80x86，MIPS32，8051，AVR,RISC-V等等各種指令集，芯片廠商可以提供匯編指令集給使用者，但使用者也可以自己定義匯編指令，當(dāng)然這些使用者都是大廠啦，我們這些普通用戶(hù)就直接用廠商提供的就足夠了，像微機(jī)原理和51單片機(jī)的匯編指令都是Intel自己定義好給我們的。這也就是我們之前說(shuō)的匯編語(yǔ)言的局限性，不方便移植，今天我們就不追究這些了。

好了，再看后面一句標(biāo)紅的文字，意思就是每種芯片的匯編語(yǔ)言都對(duì)應(yīng)器上面的機(jī)器語(yǔ)言的指令，這句話(huà)才是我們搞清楚匯編語(yǔ)言的與機(jī)器語(yǔ)言關(guān)系的關(guān)鍵所在。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是我們寫(xiě)的每一句有實(shí)際意義的匯編語(yǔ)句它就對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)器碼，也就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)器指令，CPU就根據(jù)這些連串的機(jī)器碼執(zhí)行一系列的機(jī)器操作，這就是我們寫(xiě)的程序執(zhí)行結(jié)果。先記住這句好，具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系看后文一一介紹。

那什么是有意義的匯編語(yǔ)句呢？他們就是匯編語(yǔ)言指令，也就是你不樂(lè)意記的mov,add,inc,jmp等等，那么對(duì)應(yīng)的就有一些無(wú)實(shí)際意義的匯編語(yǔ)句，我們所說(shuō)的匯編偽指令就是了，比如db,dw,equ等等，這些語(yǔ)句一般用來(lái)定義變量，或做指示，標(biāo)識(shí)用，是起輔助作用不參與程序運(yùn)行。

我們都知道，我們的51單片機(jī)是8位機(jī)，所以它內(nèi)部的操作碼就有8bit,也就是說(shuō)它內(nèi)部最多可以有2^8=256個(gè)操作碼。現(xiàn)在匯編指令確定了，操作碼總數(shù)確定了，剩下的就是一個(gè)蘿卜一個(gè)坑式的填充它們之間的對(duì)應(yīng)表了吧。

那究竟這二者之間的怎么對(duì)應(yīng)的呢？

我們可以查看一些芯片的官方手冊(cè)，專(zhuān)業(yè)一點(diǎn)的廠商都會(huì)列出這些信息，有些書(shū)籍上也會(huì)有，但一般再附錄中出現(xiàn)，并且內(nèi)容不會(huì)很詳細(xì)，所以平時(shí)查看還是以官方手冊(cè)為準(zhǔn)。我這里貼幾個(gè)圖展示說(shuō)明一下。

這是STC數(shù)據(jù)手冊(cè)中的指令集說(shuō)明，信息是挺多的，但我們似乎還是找不到這些對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是我們可以看到這里列出了每個(gè)匯編指令結(jié)合各種尋找方式，那機(jī)器碼應(yīng)該與這些有關(guān)吧。接下來(lái)我們繼續(xù)找資料挖掘：

可以看到，這里發(fā)現(xiàn)了代碼二字，看來(lái)離目標(biāo)越來(lái)越近了，我們是不是應(yīng)該多看看英文資料呢？

果然還是能找到信息，現(xiàn)在這個(gè)表就把他們關(guān)系都對(duì)應(yīng)上了吧！有些人可能還是看不懂這個(gè)表究竟怎么讀，舉個(gè)例子，nop指令，位于第0行第0列，組合來(lái)它對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼值就是0x00,同樣的，ajmp指令位于第0行第1列,組合碼就是0x01?？疵靼琢税桑褪且粋€(gè)二維數(shù)組。每個(gè)指令的各種尋址操作都在其中一一展現(xiàn)，根據(jù)前面手冊(cè)中的信息就可以得到完整的對(duì)應(yīng)表了。這么看這個(gè)表還正有點(diǎn)容易犯迷糊。我們可以再做得簡(jiǎn)單易懂一些。

看這個(gè)表就簡(jiǎn)單多了吧，當(dāng)然這里例舉的只是部分表格內(nèi)容，詳細(xì)表格內(nèi)容不較多，不好全截圖，現(xiàn)在這些資料沒(méi)有整理到云盤(pán)，后面再找個(gè)時(shí)間統(tǒng)一處理一下，分析鏈接出來(lái)，近期需要這些資料的朋友可以私信或留言，我直接發(fā)文件。

現(xiàn)在我再來(lái)舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下，大家應(yīng)該就可以更好的理解它們。

現(xiàn)在看到這條個(gè)圖你會(huì)怎么想？你是不是首先想到去看mov指令的規(guī)則？解釋這句代碼的意思，這傻子都知道的吧。