嵌入式系統(tǒng)中程序代碼必須從FLASH搬到RAM中運(yùn)行嗎？

來(lái)源于小伙伴提問(wèn)。

以下是我的一些看法。

MCU中的程序通常可以直接在FLASH中運(yùn)行，但在對(duì)性能有特殊需求或需要?jiǎng)討B(tài)修改代碼的情況下，可以將程序搬到RAM中執(zhí)行。

同時(shí)，片內(nèi)與片外存儲(chǔ)器在速度和訪問(wèn)延遲上確實(shí)存在明顯差異，這會(huì)影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決策。

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程序從FLASH執(zhí)行還是搬到RAM執(zhí)行？

一般情況下，嵌入式系統(tǒng)的程序代碼是存儲(chǔ)在片內(nèi)的FLASH中的。

在MCU上電復(fù)位后，系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程大致如下：

• 上電復(fù)位（Power-on Reset）：MCU會(huì)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，內(nèi)部電路開(kāi)始初始化。

• 啟動(dòng)代碼（Boot Code）：上電后，芯片的啟動(dòng)代碼會(huì)被執(zhí)行。這個(gè)啟動(dòng)代碼可能是由芯片廠家提供的ROM引導(dǎo)代碼，負(fù)責(zé)初始化時(shí)鐘、棧指針等關(guān)鍵硬件資源，并將程序計(jì)數(shù)器（PC指針）指向FLASH中預(yù)定的入口點(diǎn)（通常是復(fù)位向量）。

• 執(zhí)行用戶代碼： 此時(shí)，程序開(kāi)始從FLASH中讀取指令，并由處理器逐條執(zhí)行。

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FLASH中的代碼是如何運(yùn)行的？

當(dāng)程序計(jì)數(shù)器（PC）指向FLASH中某個(gè)地址時(shí)，處理器會(huì)從該地址讀取指令，解碼后執(zhí)行。也就是說(shuō)，程序?qū)嶋H上可以直接從FLASH中運(yùn)行，不一定需要搬到RAM。

對(duì)于絕大多數(shù)嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是最常見(jiàn)的做法，因?yàn)檫@樣可以節(jié)省寶貴的RAM空間。

在大多數(shù)ARM或PowerPC架構(gòu)的MCU中，啟動(dòng)流程是：

• 復(fù)位向量：通常是FLASH的起始地址或者某個(gè)固定位置，用于存放初始PC值（也就是程序入口地址）。

• 程序計(jì)數(shù)器（PC）的設(shè)置：上電時(shí)，PC由啟動(dòng)代碼或復(fù)位向量設(shè)定為FLASH中的起始地址，之后按順序讀取FLASH中的指令。

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必須搬到RAM中才能運(yùn)行嗎？不這樣做有什么不妥？

雖然代碼可以直接從FLASH中執(zhí)行，但有時(shí)搬到RAM中運(yùn)行更具優(yōu)勢(shì)，主要有以下幾種原因：

• 執(zhí)行速度：RAM的訪問(wèn)速度通常比FLASH更快。如果對(duì)性能要求較高，可以將部分代碼（如關(guān)鍵中斷服務(wù)程序）加載到RAM中運(yùn)行，能顯著提升執(zhí)行效率。

• 寫(xiě)入或擦除FLASH的限制：在執(zhí)行寫(xiě)入或擦除FLASH操作時(shí)，往往會(huì)阻塞對(duì)FLASH的讀訪問(wèn)。因此，為了避免程序運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題，有時(shí)需要將代碼搬到RAM中執(zhí)行，以便在對(duì)FLASH進(jìn)行操作時(shí)仍能正常運(yùn)行。

• 代碼自修改：某些高級(jí)應(yīng)用中，程序可能會(huì)修改自身的指令。這種情況下，代碼必須位于可寫(xiě)的存儲(chǔ)器（如RAM）中，因?yàn)镕LASH不支持動(dòng)態(tài)修改。

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片內(nèi)和片外存儲(chǔ)的區(qū)別

片內(nèi)RAM/FLASH：通常片內(nèi)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度更快，延遲更低，因?yàn)樗鼈冎苯优c處理器內(nèi)核集成在一起。片內(nèi)RAM通常用于高速緩存或需要高頻訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，而片內(nèi)FLASH用于存儲(chǔ)穩(wěn)定的程序代碼。

片外RAM/FLASH：片外存儲(chǔ)器通過(guò)外部總線連接，訪問(wèn)速度和片內(nèi)相比會(huì)稍慢，尤其在使用串行總線（如SPI FLASH）時(shí)延遲更大。如果程序和數(shù)據(jù)需要頻繁訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器，性能會(huì)明顯下降。

因此，一般情況下，片外存儲(chǔ)更多是作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者大容量擴(kuò)展，而不是執(zhí)行的主要位置。

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如果程序大小超過(guò)RAM怎么辦？

在程序代碼超過(guò)RAM可用空間時(shí)，通常不會(huì)整個(gè)搬移，而是采用分段加載或“XIP”（Execute In Place，原地執(zhí)行）技術(shù)：

• XIP（原地執(zhí)行）： 直接從FLASH中讀取和執(zhí)行指令，不需要搬到RAM。絕大多數(shù)MCU都支持這種方式。

• 分頁(yè)加載或分段執(zhí)行：在一些高級(jí)系統(tǒng)（如操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)）中，可以將程序分割為多個(gè)段，按需加載到RAM中執(zhí)行。但這對(duì)于資源受限的MCU來(lái)說(shuō)，通常不會(huì)這么復(fù)雜。

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片外FLASH和SRAM的速度差異

片外FLASH和SRAM相對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器，訪問(wèn)速度會(huì)更慢。

主要原因包括：

• 訪問(wèn)延遲：片外存儲(chǔ)器需要通過(guò)總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可能涉及地址解碼和等待周期。

• 帶寬限制：外部存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)帶寬通常不如片內(nèi)存儲(chǔ)器高，如果是串行接口（如SPI FLASH），帶寬瓶頸會(huì)更明顯。

• 內(nèi)存控制器的影響：外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)可能還依賴于內(nèi)存控制器的配置，訪問(wèn)速度受限于控制器的性能。