在单片机的应用领域中，其内置的外设功能为电子设备的高效运行提供了便利。然而，要使单片机有效地运行，程序的合理存储与执行至关重要。下面将详细介绍单片机与程序的关系，特别是单片机存储器的相关知识。
存储器是用于记忆（保存）程序和数据的关键部件，主要分为主存储器和外置存储器两种类型。主存储器是 CPU 能够直接进行存取的存储器，用于保存正在执行中的程序和数据。而外置存储器（辅助存储器、二级缓存器）不能从 CPU 直接进行存取，需通过 USB 或串行、并行的各种 I/O 来进行存取，用于保存不在执行当中（处理中）的应用和数据。外置存储器中的程序需传送到主存储器后才能执行。
在讨论单片机的存储器时，常会提及 ROM（Read Only Memory：只读存储器）和 RAM（Random Access Memory：可读写存储器）等词汇。需要注意的是，ROM 和 RAM 仅是表示存储器性质，而与存储器的作用无关。若想了解单片机的基本结构和操作，可参考《单片机入门 (1)》。
CPU 能够直接进行读写的所有空间被称为 “地址空间（或内存空间）”。这个地址空间的每个字节都标注有号码，称为 “地址 (address)”，一般以十六进制来表示。主存储器都包含在地址空间内。
不同用途的单片机 CPU 已开发出了 4 位、8 位、16 位和 32 位。以 GR - SAKURA 中使用的 RX63N 单片机为例，它搭载了 32 位的 CPU，因此也被称为 “32 位单片机”。由于是 32 位的 CPU，其能够指定约 40 亿（2 的 32 次方）个地址，确切地说是 4,294,967,296（4x1024x1024x1024）个地址。由于一个地址可以记忆一个字节，这时也可以表示为具有 “4GB（千兆字节）的地址空间”。地址空间的容量越大越能搭载大容量的存储器，也可容纳更大的程序，从而能够实现更高功能的应用。
32 位字节的 CPU 所拥有的 4G 字节的地址空间示例如图 1 所示，左边是以十六进制标示的地址。由于一列保存有 4 个字节（=32 位），所以左边所标记的地址就是每 4 个地址的值。
在计算机领域，数据的基本单位是位（b = bit），每个位的值为 “0” 或 “1”。8 位为 1 个字节（B = Byte），例如，3 个字节（3×8 位）等同于 24 位。电脑存储设备的容量常用单位有 KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（千兆字节）和 TB（太字节）等。在计算机的世界里，这些单位并非为 1000 倍，而是 1024 倍（2 的 10 次方），正确的表示如下：
- 1KB（千字节）＝2 的 10 次方 ＝ 1,024 字节
- 1MB（兆字节）＝1,024KB ＝ 2 的 20 次方 ＝ 1,048,576 字节
- 1GB（千兆字节）＝1,024MB ＝ 2 的 30 次方 ＝ 1,073,741,824 字节
- 1TB（太字节）＝1,024GB ＝ 2 的 40 次方 ＝ 1,099,511,627,776 字节
地址空间内的地址以 16 进制来表示。例如，拥有 16 位（2 的 16 次方）大小的地址空间中，如果以 10 进制来表示，就是 “从地址 0 到地址 65535”，如果以 16 进制来表示，则是从 “地址 0h 到地址 FFFFh”。在 10 进制中，每一位所取的值都在 0 到 9 之间，而在 16 进制中，则是 0 到 F（相当于 10 进制的 15）。以 16 进制表示的数，都有一个 “h”，标明是以 16 进制来表示的。
单片机复位后便开始执行先程序，复位是在接通电源或接收到复位信号时发生。实际上，“开始执行先程序” 处理有两种方法，即开始执行程序时，有将执行程序的起始地址设为固定的 CPU 及将之设为可变地址的 CPU。
在将起始地址设为固定的 CPU 中，大多是从地址 0（地址空间中的地址）开始执行。有时要事先在地址 0 中实现写入 “下一个要执行的是地址○○” 的跳转 (Jump) 指令，并将程序预先放置在 “地址○○” 中。如果改写 “地址○○”，将可获得与将起始地址设为可变地址同样的效果。
将起始地址设为可变地址的 CPU 将起始地址写入被称为 “向量表” 的部分中。向量表是只存放地址空间中各种起始地址的特定区域的名称，一般放置在地址空间中地址的部分。
以 RX63N 为例，由于地址是以 32 位来显示的，为了保存它就需要 4 个字节。这意味着图中的 “复位” 部分表示从地址 FFFFFFFCh 到地址 FFFFFFFFh 的 4 个字节中保存了程序的起始地址。CPU 复位后将读取保存于此的地址，并从作了标记的地址开始执行。被写入向量表的不仅是复位后的起始地址，向量表中还保存发生中断时程序的起始地址和异常处理 (Exception Handling) 的起始地址。也正因为保存了发生中断及异常处理等因多种事由的起始地址，所以才被称为 “表 (Table)”。
我们来设想一下使用了向量表的程序处理的情况。图表示出了发生非屏蔽中断（NMI）时的处理流程例。产生 NMI 后，读取写在向量表的 NMI 的起始地址（此例中为 10000000h），然后执行所读取地址（10000000h）中的 NMI 程序。
非屏蔽中断（NMI）指的是无法禁止的意思，如有中断请求，CPU 将无条件地执行中断处理，可用于通过看门狗定时器进行的中断处理等。关于看门狗定时器，在本连载的第 2 期 -- “定时器” 中已为大家作了介绍。如上所述，在将程序的起始地址设为可变的 CPU 中，由于能够通过写入向量表来指定中断处理的起始地址，因此具有在地址空间中自由配置中断处理程序的特征。
程序是计算机将所要进行的处理按顺序排列的指令集。在单片机中，将程序保存在地址空间（存储器空间）中，并由 CPU 来执行 (处理) 指令。假设地址空间中的一个地址保存一条指令，先执行某个地址中的指令（如 “将值置位到 CPU 中” 处理），接着执行下一个地址中的指令，接下来再执行下一个地址中的指令……，像这样通过连续执行指令，便可执行程序。
在单片机中，程序被执行的时候 “程序计数器（PC）” 的值也同时被更新。程序计数器存储有下一条 CPU 将要执行的指令所在的地址。执行了某个地址的指令后，下一个该执行哪个地址中的指令由程序计数器来确定。一般来说，程序被保存在连续的地址中，再由 CPU 按顺序执行存放在各个地址中的指令。
单片机在接通电源或是复位时，保存在向量表的复位地址中的值（程序的起始地址）将被转移到程序计数器中，该地址中的指令便得到执行。
编写程序时，在执行完某个指令的处理后有时必须先执行保存 “(非连续) 的下一个地址” 中的指令。此时，程序计数器的值将被改写，而所用的指令被称为 “转移指令”。
在图的示例中，(1) 地址 1000h 中存放有转移指令，即将（2）程序计数器的值改写为下一个应执行的地址（1100h）的指令。即 CPU 执行完 1000h 地址的指令（转移指令）后，接下来不是执行 1001h 地址的指令，而是执行（3）1100h 地址的指令。另外，在转移指令中，能够利用 “从当前的程序计数器的值向前（更大的地址）／向后（更小的地址）移动” 的方法来设定程序计数器的值。
执行程序时，在运算过程中仅仅依靠 CPU 内的数据保存位置（CPU 内部寄存器）是不够的，有时需在主存储器中暂时存放信息。这种信息的暂时存放位置被称为 “堆栈”，而存放 “下一个（暂时）存放的信息地址” 的就是 “堆栈指针（SP）”。如果一开始就设定好堆栈的地址，那么堆栈指针将自动更新，且总是指示 “下一个（暂时）存放的信息地址”。
如果执行 “将该信息存放（有时也用 “堆积”）在堆栈” 的指令，那么被指定的信息将会被写入堆栈指针所指定的地址中，且堆栈指针的值也将被更新为新的地址（一般为一个小地址）。
“将存放在堆栈中的信息返回 CPU 时，也将用到堆栈指针。
但是堆栈中并非可无限制地保存信息。由于堆栈能使用的范围仅限于可改写的被称为 RAM 的存储器。如果信息存放量过多而导致堆栈超出了 RAM 的区域，程序将无法正常运行。
我们以发生中断时的处理为例来进行思考。中断处理就是指在执行某个程序的过程中，由于某种原因（产生中断）而导致开始执行完全不同的程序。以来自外设功能之一的独立的看门狗计时器（WDT）的中断为例，在程序正常运行时独立的看门狗定时器将什么也不做，但是在程序失去控制，且没有按必要的步骤进行处理时就会产生中断。使失去控制的程序停下并让系统稳定停止的处理是由通过中断开始的程序来执行的。
首先，在产生中断时，必须使运行中的程序入栈。在中断处理 “入栈” 时，将信息存放在堆栈指针指向的地址（堆栈）中。进行中断处理时存放在堆栈中的信息就是正在执行的原先的程序（被中断的程序）时的程序计数器的值，即原先的程序执行到哪一步的信息（地址）。另外，显示 CPU 内部状态的信息和暂时保存的值也存放在堆栈中。
如果 CPU 内部的信息存放在堆栈中且完成 “交付” 准备（入栈）后，将执行中断程序。中断程序与正在执行的程序不同且所保存的地址空间也不同，所以程序计数器的值与原先程序也完全不同。中断程序的起始位置将被写入向量表中。起始位置该写在向量表中的哪一项取决于所产生的中断。
例如，如果存在不可屏蔽中断（NMI），那就从写有 NMI 项的地址开始进行处理。向量表的 NMI 项中的值（地址）将转移到程序计数器中，并从该处开始执行。此外，如将数值设为 0 而产生错误时，或者欲存取到无存储器的位置时，CPU 本身将产生中断并从向量表中读取开始处理的地址。此例中，由于在检测到程序失控时是通过独立的看门狗定时器进行中断处理的，所以中断程序将使系统停止下来。
如为一般的周期性中断，那么，中断处理一结束，且在入栈时将存放在堆栈中的 “执行原先执行程序时的信息” 返回到 CPU。返回程序计数器的值，并结束从中断返回的处理 “出栈”。开始中断程序时，通过来自外部的信号或从 CPU 本身发出的指令来开始入栈。出栈时使用 “来自中断的出栈指令”，因此编程人员无需考虑 “堆栈中存放有什么信息又是按什么顺序来存放的？” 等问题，仅需一条指令便可进行出栈处理。
