单片机可以从Flash中直接运行代码的原理
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本期话题
前几天分享了一篇关于CPU的文章：一篇关于CPU的硬核知识，其中有说到CPU实际会做哪些工作：“CPU的工作核心是从程序或应用程序中获取指令并且执行计算。这个过程一共有三个关键阶段：提取，解码和执行。CPU先从系统的RAM中提取指令，随后解码该指令的实际内容，最后再由CPU的相关部分执行该指令。”有小伙伴后台留言提出了疑问：这个取指令过程，应该是从ROM读取指令吧？他说的没错，如果是从单片机程序执行的角度来看，确实是从 ROM 中读取指令。但是，这篇文章应该说的是 X86 或者 ARM-A 芯片的 CPU，先把指令加载到 RAM，CPU 再从 RAM中 取指令。今天来简单聊一聊 MCU 从 Flash 直接运行代码的原理。
聊一聊
关于单片机程序的存储和执行，之前有文章介绍过，可参考 STM32单片机程序的存储和执行。这篇文章侧重点在程序存储和程序加载的基本过程。对于PC来说，可执行文件存储在磁盘上，当执行的时候，将文件内容（代码和数据）加载到内存中去执行。
而对于单片机来说，程序文件存在ROM中，执行的时候，指令代码不用加载到RAM即可执行。
MCU 内部的 Flash 是可以直接运行代码的，也就是说，可执行文件的 Code 和 RO Data不会被加载到 RAM中。
本文来介绍一下，单片机为什么可以直接运行代码，以及相关的技术原理。
这其中的关键技术为 XIP。那什么是 XIP 呢？
XIP 全称为eXecute In Place，即芯片内执行，是指 CPU 直接从存储器中读取程序代码执行，而不用再读到内存中。
应用程序可以直接在 flash 闪存内运行，不必再把代码读到系统 RAM 中。flash内执行是指 nor flash 不需要初始化，可以直接在flash内执行代码。但往往只执行部分代码，好处即是程序代码无需占用内存，减少内存的要求。
所谓片内执行不是说程序在存储器内执行，CPU 的基本功能是取指、译码、运行。
Nor Flash 能在芯片内执行，指的是CPU 能够直接从 Nor flash 中取指令，供后面的译码器和执行器来使用。为实现就地执行，必须满足几个条件：
[*]存储器必须提供与内存相似的接口给CPU。
[*]该接口必须提供足够快的读取操作，并具有随机访问模式。
[*]如有文件系统，则需要提供合适的映射功能。
[*]程序链接时需要知道存储器的地址或地址与位置无关。
[*]程序不能修改已加载映像中的数据。
NOR Flash 和 EEPROM通常能满足上述要求。
NOR flash 之所以可以片内执行，就是因为他符合 CPU 取指令译码执行的要求。
CPU 送一个地址出来，NOR Flash 就能给一个数据让 CPU 执行，中间不需要额外的处理操作。
对于 Cortex-M3 内核的单片机来说，其内部 Flash 连接到 AHB 总线上。
闪存的指令和数据访问是通过 AHB 总线完成的。单片机的预取模块是用于通过 ICode 总线读取指令的。
通过ICode总线，CPU从片内Flash直接读取指令。为了提高提高程序的执行速度，有的单片机会提供指令预取缓冲区。先将指令读取到预取缓冲区中。对于STM32单片机来说，预取缓冲区有 2 个，每个缓冲区大小为 64位。在每一次复位以后被自动打开。
由于预取缓冲区的存在， CPU可以工作在更高的主频。CPU每次取指最多为32位的字，取一条指令时，下一条指令已经在缓冲区中等待。这样提高了CPU获取指令的效率和执行指令的速度。
对于51单片机来说，不存在指令预取缓冲区，通过XIP技术，从Flash中读取指令后，接着进行译码、运行。
补充
嵌入式系统中代码的执行方式主要有 3 种：
[*]完全映射：嵌入式系统程序运行时，将所有代码从非易失存储器（Flash、ROM等）复制到RAM中运行。
[*]按需分页：只复制部分代码到RAM中，这种方法对RAM中的页进行导入/导出管理，如果访问位于虚存中但不在物理RAM中会产生页错位，这时才将代码和数据映射到RAM中。
[*]XIP：在系统启动时，不将代码复制到RAM，而是直接在非易失性存储位置执行，RAM中只存放需要不断变化的数据部分。
好了，关于程序的执行，欢迎一起探讨。
感谢阅读，加油~
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