嵌入式系统中程序代码必须从FLASH搬到RAM中运行吗？

来源于小伙伴提问。

以下是我的一些看法。

MCU中的程序通常可以直接在FLASH中运行，但在对性能有特殊需求或需要动态修改代码的情况下，可以将程序搬到RAM中执行。

同时，片内与片外存储器在速度和访问延迟上确实存在明显差异，这会影响系统的设计决策。

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程序从FLASH执行还是搬到RAM执行？

一般情况下，嵌入式系统的程序代码是存储在片内的FLASH中的。

在MCU上电复位后，系统的启动过程大致如下：

• 上电复位（Power-on Reset）：MCU会进入复位状态，内部电路开始初始化。

• 启动代码（Boot Code）：上电后，芯片的启动代码会被执行。这个启动代码可能是由芯片厂家提供的ROM引导代码，负责初始化时钟、栈指针等关键硬件资源，并将程序计数器（PC指针）指向FLASH中预定的入口点（通常是复位向量）。

• 执行用户代码： 此时，程序开始从FLASH中读取指令，并由处理器逐条执行。

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FLASH中的代码是如何运行的？

当程序计数器（PC）指向FLASH中某个地址时，处理器会从该地址读取指令，解码后执行。也就是说，程序实际上可以直接从FLASH中运行，不一定需要搬到RAM。

对于绝大多数嵌入式应用来说，这是最常见的做法，因为这样可以节省宝贵的RAM空间。

在大多数ARM或PowerPC架构的MCU中，启动流程是：

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

• 程序计数器（PC）的设置：上电时，PC由启动代码或复位向量设定为FLASH中的起始地址，之后按顺序读取FLASH中的指令。

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必须搬到RAM中才能运行吗？不这样做有什么不妥？

虽然代码可以直接从FLASH中执行，但有时搬到RAM中运行更具优势，主要有以下几种原因：

• 执行速度：RAM的访问速度通常比FLASH更快。如果对性能要求较高，可以将部分代码（如关键中断服务程序）加载到RAM中运行，能显著提升执行效率。

• 写入或擦除FLASH的限制：在执行写入或擦除FLASH操作时，往往会阻塞对FLASH的读访问。因此，为了避免程序运行中出现问题，有时需要将代码搬到RAM中执行，以便在对FLASH进行操作时仍能正常运行。

• 代码自修改：某些高级应用中，程序可能会修改自身的指令。这种情况下，代码必须位于可写的存储器（如RAM）中，因为FLASH不支持动态修改。

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片内和片外存储的区别

片内RAM/FLASH：通常片内存储器的访问速度更快，延迟更低，因为它们直接与处理器内核集成在一起。片内RAM通常用于高速缓存或需要高频访问的数据，而片内FLASH用于存储稳定的程序代码。

片外RAM/FLASH：片外存储器通过外部总线连接，访问速度和片内相比会稍慢，尤其在使用串行总线（如SPI FLASH）时延迟更大。如果程序和数据需要频繁访问片外存储器，性能会明显下降。

因此，一般情况下，片外存储更多是作为数据存储或者大容量扩展，而不是执行的主要位置。

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如果程序大小超过RAM怎么办？

在程序代码超过RAM可用空间时，通常不会整个搬移，而是采用分段加载或“XIP”（Execute In Place，原地执行）技术：

• XIP（原地执行）： 直接从FLASH中读取和执行指令，不需要搬到RAM。绝大多数MCU都支持这种方式。

• 分页加载或分段执行：在一些高级系统（如操作系统驱动的系统）中，可以将程序分割为多个段，按需加载到RAM中执行。但这对于资源受限的MCU来说，通常不会这么复杂。

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片外FLASH和SRAM的速度差异

片外FLASH和SRAM相对片内存储器，访问速度会更慢。

主要原因包括：

• 访问延迟：片外存储器需要通过总线协议进行数据传输，可能涉及地址解码和等待周期。

• 带宽限制：外部存储器的读写带宽通常不如片内存储器高，如果是串行接口（如SPI FLASH），带宽瓶颈会更明显。

• 内存控制器的影响：外部存储器访问可能还依赖于内存控制器的配置，访问速度受限于控制器的性能。