stm32内存知识点(转)

只愿长相守 提交于 2019-11-26 16:43:24

1.bss段,data段、text段、堆(heap)和栈(stack)

bss段:

  bss段(bss segment)通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。

  bss是英文Block Started by Symbol的简称。

  bss段属于静态内存分配。

data段:

  数据段(data segment)通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。

  数据段属于静态内存分配。 

text段:

  代码段(code segment/text segment)通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。

  这部分区域的大小在程序运行前就已经确定,并且内存区域通常属于只读(某些架构也允许代码段为可写,即允许修改程序)。

  在代码段中,也有可能包含一些只读的常数变量,例如字符串常量等。

堆(heap):

  堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段,它的大小并不固定,可动态扩张或缩减。

  当进程调用malloc等函数分配内存时,新分配的内存就被动态添加到堆上(堆被扩张);

  当利用free等函数释放内存时,被释放的内存从堆中被剔除(堆被缩减)。

栈(stack):

   栈又称堆栈,是用户存放程序临时创建的局部变量,

  也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量(但不包括static声明的变量,static意味着在数据段中存放变量)。

  除此以外,在函数被调用时,其参数也会被压入发起调用的进程栈中,并且待到调用结束后,函数的返回值也会被存放回栈中。

  由于栈的先进先出(FIFO)特点,所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。

  从这个意义上讲,我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。 


一个程序本质上都是由 bss段、data段、text段三个组成的。

  这样的概念,不知道最初来源于哪里的规定,但在当前的计算机程序设计中是很重要的一个基本概念。

  而且在嵌入式系统的设计中也非常重要,牵涉到嵌入式系统运行时的内存大小分配,存储单元占用空间大小的问题。

    在采用段式内存管理的架构中(比如intel的80x86系统),bss段通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域,

  一般在初始化时bss 段部分将会清零。bss段属于静态内存分配,即程序一开始就将其清零了。

    比如,在C语言之类的程序编译完成之后,已初始化的全局变量保存在.data 段中,未初始化的全局变量保存在.bss 段中。

  text和data段都在可执行文件中(在嵌入式系统里一般是固化在镜像文件中),由系统从可执行文件中加载;

  而bss段不在可执行文件中,由系统初始化。

例:

两个小程序如下:

程序1:
int ar[30000];  void main()  {      ......  }

 


程序2:

int ar[300000] = {1, 2, 3, 4, 5, 6 };  void main()  {      ......  }
发现程序2编译之后所得的.exe文件比程序1的要大得多。当下甚为不解,于是手工编译了一下,并使用了/FAs编译选项来查看了一下其各自的.asm,
发现在程序1.asm中ar的定义如下:
_BSS SEGMENT
     ?ar@@3PAHA DD 0493e0H DUP (?)  ; ar
_BSS ENDS
而在程序2.asm中,ar被定义为:
_DATA SEGMENT
     ?ar@@3PAHA DD 01H  ; ar
                DD 02H
                DD 03H
                ORG $+1199988
_DATA ENDS
区别很明显,一个位于.bss段,而另一个位于.data段,两者的区别在于:
全局的未初始化变量存在于.bss段中,具体体现为一个占位符;
全局的已初始化变量存于.data段中;
而函数内的自动变量都在栈上分配空间;
.bss是不占用.exe文件空间的,其内容由操作系统初始化(清零);
.data却需要占用,其内容由程序初始化。因此造成了上述情况。
bss段(未手动初始化的数据)并不给该段的数据分配空间,只是记录数据所需空间的大小;
bss段的大小从可执行文件中得到 ,然后链接器得到这个大小的内存块,紧跟在数据段后面。
data段(已手动初始化的数据)则为数据分配空间,数据保存在目标文件中;
data段包含经过初始化的全局变量以及它们的值。当这个内存区进入程序的地址空间后全部清零。
 
包含data段和bss段的整个区段此时通常称为数据区。
 
STM32的内存管理和堆栈相关的认知
 

今天仔细读了一下内存管理的代码,然后还有看了堆栈的相关知识,把以前不太明白的一些东西想通了,写下来,方便以后查看,也想大家看了能指出哪里不对,然后修改。    

 

 

 

首先,先看一下stm32的存储器结构。

​Flash,SRAM寄存器和输入输出端口被组织在同一个4GB的线性地址空间内。可访问的存储器空间被分成8个主要块,每个块为512MB。

FLASH存储下载的程序。

SRAM是存储运行程序中的数据。

所以,只要你不外扩存储器,写完的程序中的所有东西也就会出现在这两个存储器中。

这是一个前提!

堆栈的认知

1.     STM32中的堆栈。

这个我产生过混淆,导致了很多逻辑上的混乱。首先要说明的是单片机是一种集成电路芯片,集成CPU、RAM、ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能。CPU中包括了各种总线电路,计算电路,逻辑电路,还有各种寄存器。Stm32有通用寄存器 R0‐ R15 以及一些特殊功能寄存器,其中包括了堆栈指针寄存器。当stm32正常运行程序的时候,来了一个中断,CPU就需要将寄存器中的值压栈到RAM里,然后将数据所在的地址存放在堆栈寄存器中。等中断处理完成退出时,再将数据出栈到之前的寄存器中,这个在C语言里是自动完成的。

2.     编程中的堆栈。

在编程中很多时候会提到堆栈这个东西,准确的说这个就是RAM中的一个区域。我们先来了解几个说明:

(1) 程序中的所有内容最终只会出现在flash,ram里(不外扩)。

(2) 段的划分,是将类似数据种类存储在一个区域里,方便管理,但正如上面所说,不管什么段的数据,都是最终在flash和ram里面。

C语言上分为栈、堆、bss、data、code段。具体每个段具体是存储什么数据的,直接百度吧。重点分析一下STM32以及在MDK里面段的划分。

MDK下Code, RO-data,RW-data,ZI-data这几个段:

Code是存储程序代码的。

​RO-data是存储const常量和指令。

​RW-data是存储初始化值不为0的全局变量。

​ZI-data是存储未初始化的全局变量或初始化值为0的全局变量。

Flash=Code + RO Data + RW Data;

RAM= RW-data+ZI-data;

这个是MDK编译之后能够得到的每个段的大小,也就能得到占用相应的FLASH和RAM的大小,但是还有两个数据段也会占用RAM,但是是在程序运行的时候,才会占用,那就是堆和栈。在stm32的启动文件.s文件里面,就有堆栈的设置,其实这个堆栈的内存占用就是在上面RAM分配给RW-data+ZI-data之后的地址开始分配的。

堆:是编译器调用动态内存分配的内存区域。

栈:是程序运行的时候局部变量的地方,所以局部变量用数组太大了都有可能造成栈溢出。

堆栈的大小在编译器编译之后是不知道的,只有运行的时候才知道,所以需要注意一点,就是别造成堆栈溢出了。。。不然就等着hardfault找你吧。

3.     OS中的堆栈及其内存管理。

嵌入式系统的堆栈,不管是用什么方法来得到内存,感觉他的方式都和编程中的堆差不多。目前我知道两种获得内存情况:

(1)用庞大的全局变量数组来圈住一块内存,然后将这个内存拿来进行内存管理和分配。这种情况下,堆栈占用的内存就是上面说的:如果没有初始化数组,或者数组的初始化值为0,堆栈就是占用的RAM的ZI-data部分;如果数组初始化值不为0,堆栈就占用的RAM的RW-data部分。这种方式的好处是容易从逻辑上知道数据的来由和去向。

(2)​就是把编译器没有用掉的RAM部分拿来做内存分配,也就是除掉RW-data+ZI-data+编译器堆+编译器栈后剩下的RAM内存中的一部分或者全部进行内存管理和分配。这样的情况下就只需要知道内存剩下部分的首地址和内存的尾地址,然后要用多少内存,就用首地址开始挖,做一个链表,把内存获取和释放相关信息链接起来,就能及时的对内存进行管理了。内存管理的算法多种多样,不详说,这样的情况下:OS的内存分配和自身局部变量或者全局变量不冲突,之前我就在这上面纠结了很久,以为函数里面的变量也是从系统的动态内存中得来的。这种方式感觉更加能够明白自己地址的开始和结束。

这两种方法我感觉没有谁更高明,因为只是一个内存的获取方式,高明的在于内存的管理和分配。​

keil编译后code,RO-data,RW-data,ZI-data含义及mcu的flash实际存储数据

keil编译后会有一行:Program Size:Code=xxxRO-data=xxx RW-data=xxx ZI-data=xxx

Code 代表执行的代码,程序中所有的函数都位于此处。

RO-data 代表只读数据,程序中所定义的全局常量数据和字符串都位于此处。

RW-data 代表已初始化的读写数据,程序中定义并且初始化的全局变量和静态变量位于此处。

ZI-data 代表未初始化的读写数据,程序中定义了但没有初始化的全局变量和静态变量位于此处。ZI英语是zero initial,就是程序中用到的变量并且被系统初始化为0的变量的字节数,keil编译器默认是把你没有初始化的变量都赋值一个0,这些变量在程序运行时是保存在RAM中的。

2.如果你查看.map文件,如下例子:

 

==============================================================================

    Total RO  Size (Code + RO Data)                 2980 (   2.91kB)
    Total RW  Size (RW Data + ZI Data)               104 (   0.10kB)
    Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       2988 (   2.92kB)

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Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)这样所写的程序占用的ROM的字节总数,也就是说程序所下载到ROM flash 中的大小。为什么Rom中还要存RW,因为掉电后RAM中所有数据都丢失了,每次上电RAM中的数据是被重新赋值的,每次这些固定的值就是存储在Rom中的,为什么不包含ZI段呢,是因为ZI数据都是0,没必要包含,只要程序运行之前将ZI数据所在的区域一律清零即可,包含进去反而浪费存储空间。

实际上,ROM中的指令至少应该有这样的功能:
       1. 将RW从ROM中搬到RAM中,因为RW是变量,变量不能存在ROM中。
       2. 将ZI所在的RAM区域全部清零,因为ZI区域并不在Image中,所以需要程序根据编译器给出的ZI地址及大小来将相应得RAM区域清零。ZI中也是变量,同理:变量不能存在ROM中。
       在程序运行的最初阶段,RO中的指令完成了这两项工作后C程序才能正常访问变量。否则只能运行不含变量的代码。

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