嵌入式系統中程序代碼必須從FLASH搬到RAM中運行嗎？

來源于小伙伴提問。

以下是我的一些看法。

MCU中的程序通常可以直接在FLASH中運行，但在對性能有特殊需求或需要動態修改代碼的情況下，可以將程序搬到RAM中執行。

同時，片內與片外存儲器在速度和訪問延遲上確實存在明顯差異，這會影響系統的設計決策。

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程序從FLASH執行還是搬到RAM執行？

一般情況下，嵌入式系統的程序代碼是存儲在片內的FLASH中的。

在MCU上電復位后，系統的啟動過程大致如下：

• 上電復位（Power-on Reset）：MCU會進入復位狀態，內部電路開始初始化。

• 啟動代碼（Boot Code）：上電后，芯片的啟動代碼會被執行。這個啟動代碼可能是由芯片廠家提供的ROM引導代碼，負責初始化時鐘、棧指針等關鍵硬件資源，并將程序計數器（PC指針）指向FLASH中預定的入口點（通常是復位向量）。

• 執行用戶代碼： 此時，程序開始從FLASH中讀取指令，并由處理器逐條執行。

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FLASH中的代碼是如何運行的？

當程序計數器（PC）指向FLASH中某個地址時，處理器會從該地址讀取指令，解碼后執行。也就是說，程序實際上可以直接從FLASH中運行，不一定需要搬到RAM。

對于絕大多數嵌入式應用來說，這是最常見的做法，因為這樣可以節省寶貴的RAM空間。

在大多數ARM或PowerPC架構的MCU中，啟動流程是：

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

• 程序計數器（PC）的設置：上電時，PC由啟動代碼或復位向量設定為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中才能運行嗎？不這樣做有什么不妥？

雖然代碼可以直接從FLASH中執行，但有時搬到RAM中運行更具優勢，主要有以下幾種原因：

• 執行速度：RAM的訪問速度通常比FLASH更快。如果對性能要求較高，可以將部分代碼（如關鍵中斷服務程序）加載到RAM中運行，能顯著提升執行效率。

• 寫入或擦除FLASH的限制：在執行寫入或擦除FLASH操作時，往往會阻塞對FLASH的讀訪問。因此，為了避免程序運行中出現問題，有時需要將代碼搬到RAM中執行，以便在對FLASH進行操作時仍能正常運行。

• 代碼自修改：某些高級應用中，程序可能會修改自身的指令。這種情況下，代碼必須位于可寫的存儲器（如RAM）中，因為FLASH不支持動態修改。

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片內和片外存儲的區別

片內RAM/FLASH：通常片內存儲器的訪問速度更快，延遲更低，因為它們直接與處理器內核集成在一起。片內RAM通常用于高速緩存或需要高頻訪問的數據，而片內FLASH用于存儲穩定的程序代碼。

片外RAM/FLASH：片外存儲器通過外部總線連接，訪問速度和片內相比會稍慢，尤其在使用串行總線（如SPI FLASH）時延遲更大。如果程序和數據需要頻繁訪問片外存儲器，性能會明顯下降。

因此，一般情況下，片外存儲更多是作為數據存儲或者大容量擴展，而不是執行的主要位置。

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如果程序大小超過RAM怎么辦？

在程序代碼超過RAM可用空間時，通常不會整個搬移，而是采用分段加載或“XIP”（Execute In Place，原地執行）技術：

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

• 分頁加載或分段執行：在一些高級系統（如操作系統驅動的系統）中，可以將程序分割為多個段，按需加載到RAM中執行。但這對于資源受限的MCU來說，通常不會這么復雜。

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片外FLASH和SRAM的速度差異

片外FLASH和SRAM相對片內存儲器，訪問速度會更慢。

主要原因包括：

• 訪問延遲：片外存儲器需要通過總線協議進行數據傳輸，可能涉及地址解碼和等待周期。

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

• 內存控制器的影響：外部存儲器訪問可能還依賴于內存控制器的配置，訪問速度受限于控制器的性能。