闪存和RAM：代码执行

我最近开始学习汇编，并开始了解链接器脚本和其他硬件编程的低级细节。我也在自学计算机体系结构，并且一直担心我的内存模型图可能一直是错误的。

根据我目前的了解，在将二进制文件“烧录”到处理器上之后，所有代码和数据都驻留在非易失性存储器中-易失性RAM复位后不包含任何内容。当程序开始“执行”时，它从地址0x0000开始执行，该地址几乎总是（AFAIK）Flash中的最低地址。因此，指令被锁存到将Flash连接到CPU内核的总线上，这就是实际执行的地方。但是，当我们谈论CPU从内存中检索或存储数据时，我们通常是在谈论RAM-我知道我们也可以从程序存储器中读取/写入数据（我已经在AVR上看到了这一点）但这不常见吗？是因为RAM比ROM快，所以我们更喜欢在那存储数据？

这个问题的公认答案是，大多数代码都是在RAM之外执行的。

这是否意味着启动运行时代码（其本身从Flash执行）必须将所有程序操作码从Flash复制到RAM，并以某种方式将Flash中的地址映射到RAM，以便CPU从那里获取操作码？它与启动时将.data节从ROM移到RAM的过程类似吗？

我可以想象这在程序和数据存储器共享总线的冯·诺依曼体系结构中会更简单，但是在哈佛体系结构中，这是否不意味着所有代码和数据都必须先通过CPU寄存器？

您可能会猜到，我对整个业务感到有些困惑。总是以更高的抽象级别进行编程，我很容易为这些细节所困扰。任何帮助表示赞赏。

这取决于设备。

RAM的构建速度比Flash快；在约100MHz的频率范围内，这一点变得越来越重要。

简单的微控制器

小型慢速微控制器直接从Flash执行。这些系统通常也比SRAM具有更多的闪存。

中端系统

一旦设备变得更快，情况就会有所不同。中型ARM系统也可以做到这一点，或者它们可以具有做些更聪明的mask ROM引导加载程序：也许从USB或外部EEPROM将代码下载到内部SRAM中。

大型系统

更大，速度更快的系统将具有外部DRAM和外部闪存。这是典型的手机架构。此时，有足够的可用RAM，并且它比Flash快，因此引导加载程序将复制并执行它。这可能涉及通过CPU寄存器清除它，或者如果有DMA单元，则可能涉及DMA传输。

哈佛的体系结构通常很小，因此不必担心复制阶段。我见过带有“混合哈佛”的ARM，它是一个包含各种内存但有两个不同提取单元的地址空间。只要不是来自同一内存的代码和数据就可以并行获取。因此，您可以从闪存中获取代码，从SRAM中获取数据，或者从SRAM中获取代码，并从DRAM中获取数据，等等。

RAM通常比闪存快，但是直到时钟速度超过80-100MHz才真正无关紧要-只要闪存访问时间快于执行指令所需的时间，它就可以没关系。

RAM的物理结构使我们能够构建非常快的设备；比闪光灯快得多。此时，在执行之前将代码块复制到RAM是有意义的。这也为开发人员带来了其他好处，例如能够在运行时修改代码。

在冯·诺依曼（von Neumann）架构中，程序和数据存储器共享一条总线，但是在哈佛架构中，这不意味着所有代码和数据都必须首先通过CPU寄存器吗？

不必要。这就是虚拟寻址的地方。它实际上不是引用原始硬件RAM地址的程序代码，而是引用虚拟地址空间。虚拟地址空间的块被映射到物理存储设备，这些物理存储设备可以是RAM，ROM，闪存甚至设备缓冲区。

例如，当您在微型计算机上引用地址0x000f0004时，您可能正在从闪存中读取地址0x0004。该虚拟地址是0x000f0004，但物理地址是0x0004只是-整个0x000fxxxx地址空间映射到一个4KB物理存储设备。当然，这只是一个例子，管理和组织虚拟地址空间的方法在不同的体系结构中差别很大。

因此，当您说“程序从几乎始终是闪存中最低的地址的地址0x0000开始执行”时，您将无法保证是正确的。实际上，许多微控制器都是从0x1000开始的。

您所说的并非完全正确或错误。有不同的方案。

这取决于您是在原始硬件上进行编程还是在OS随附的硬件上进行编程。

在通用计算机上运行的操作系统从HDD中获取代码，并将其存储在RAM中，以加快访问速度。如果您的处理器尝试持续不断地直接从HDD中获取数据，则由于两者之间的速度不匹配，操作会慢得多。因此，您的RAM会发挥作用，在其中存储您的重复代码部分，以加快访问速度。而且在处理器高速缓存中还提供了更多功能，以使其更快。

现在，当您使用微控制器时，它完全取决于您在芯片上放置数据的位置。如果数据是静态的，则可能需要将其放在代码存储器中，这样可以节省比代码存储器小得多的RAM。在C语言中，当使用静态初始化数据类型时，或者在某些编译器中，const前缀数据将存储在代码存储器中，否则将存储在RAM中。在程序集中，您可以直接使用DB（在Basic 8051中为Define Byte）来初始化特定位置上的数据。现在，即使在某些控制器（如PIC ARM）中，您也可以在运行时写入ROM，但获取数据将花费大量时间。

另外，在中级和复杂的控制器中还有Boot loader硬件，它告诉控制器或处理器从哪里执行启动代码，或者它本身就是实际上被分割到内存中的启动代码，因此，存在很多可能的改进，我宁愿说该行业的混合动力技术融合了传统RAM ROM和存储器的整个概念。因此，基本上您的困惑是正确的。