單片機與程序設計（下）

　　在《單片機與程序設計（上）》中我們已經學習了將程序放在地址空間中，并在向量表中顯示保存位置的內容。本期是這一系列的最后一期，將會介紹在執行程序及產生中斷時CPU內會發生什么變化。

　　引導程序的運行―程序計數器

　　一般來說，程序就是計算機將所要進行的處理按順序排列的指令集。在單片機中，將程序保存在地址空間（存儲器空間）中（上期曾介紹過），并由CPU來執行（處理）指令。假設地址空間中的一個地址保存一條指令，先執行某個地址中的指令（如“將值置位到CPU中”處理），接著執行下一個地址中的指令，接下來再執行下一個地址中的指令……，像這樣通過連續執行指令，便可執行程序。

　　那么，CPU是如何判斷執行指令的順序呢？在單片機中，程序被執行的時候“程序計數器（PC）”的值也同時被更新。存放在CPU內的指令地址中，程序計數器存儲有下一條CPU將要執行的指令所在的地址。執行了某個地址的指令后，下一個該執行哪個地址中的指令呢？這個答案由程序計數器來告訴你。

　　一般來說，程序被保存在連續的地址中，再由CPU按順序執行存放在各個地址中的指令。圖１為程序計數器的示意圖。圖中，假定（1）執行地址1000h中的指令，（2）執行地址1000h中的指令后，程序計數器的値自動增加一個量并顯示出下一個地址1001h，接下來，（3）CPU執行地址1001h中的指令。

　　那么，CPU執行最初的指令時是一種什么狀況呢？單片機在接通電源或是復位時，如上期所說明的，保存在向量表的復位地址中的値（程序的起始地址）將被轉移到程序計數器中，該地址中的指令便得到執行（請參照上期的圖2）。

　　?關于地址空間及向量表的內容，請參照本系列的第五期《單片機與程序設計（上）》。

　　改變程序的運行路徑―轉移指令

　　編寫程序時，在執行完某個指令的處理后有時必須先執行保存“（非連續）的下一個地址”中的指令。此時，程序計數器的值將被改寫，而所用的指令被稱為“轉移指令”。

　　圖2所示是轉移指令的示意圖。圖2示例中，（1）地址1000h中存放有轉移指令，即將（2）程序計數器的值改寫為下一個應執行的地址（1100h）的指令。即CPU執行完1000h地址的指令（轉移指令）后，接下來不是執行1001h地址的指令，而是執行（3）1100h地址的指令。

　　另外，在轉移指令中，能夠利用“從當前的程序計數器的值向前（更大的地址）／向后（更小的地址）移動”的方法來設定程序計數器的值。

　　信息的暫時存放處―堆棧

　　執行程序時，在運算過程中僅僅依靠CPU內的數據保存位置（CPU內部寄存器）是不夠的，有時需在主存儲器中暫時存放信息。這種信息的暫時存放位置被稱為“堆?！?，而存放“下一個（暫時）存放的信息地址”的就是“堆棧指針（SP）”。如果一開始就設定好堆棧的地址，那么堆棧指針將自動更新，且總是指示“下一個（暫時）存放的信息地址”。

　　?CPU內部寄存器等單片機的結構請參照《單片機入門（1）》。

　　如果執行“將該信息存放（有時也用“堆積”）在堆?！钡闹噶?，那么被指定的信息將會被寫入堆棧指針所指定的地址中，且堆棧指針的值也將被更新為新的地址（一般為一個小地址）。該情形如圖3所示。如果（1）CPU將信息存放在堆棧指針所指的地址中，則（2）堆棧指針的値將被更新，然后（3）堆棧指針指向下一個存放信息的位置。

　　將存放在堆棧中的信息返回CPU時，也將用到堆棧指針。圖4所示的是將信息返回時的情形。（1）更新堆棧指針的値（更新為一個大的地址），（2）將暫時存放在堆棧中的信息返送回CPU。此時，（3）堆棧指針指向下一個寫入地址（先前將信息返回CPU后空出的地址）。

　　但是堆棧中并非可無限制地保存信息。由于堆棧能使用的范圍僅限于可改寫的被稱為RAM的存儲器。如果信息存放量過多而導致堆棧超出了RAM的區域，程序將無法正常運行。