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单片机内存区域划分

时间:2024-09-03 16:53:29浏览次数:5  
标签:栈区 RW 常量 RAM 单片机 划分 存放 内存 data

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一、C 语言内存分区

C 语言在内存中一共分为如下几个区域,分别是:

下面分别介绍各个区域。

1、栈区

栈区介绍:

  • 栈区由编译器自动分配释放,由操作系统自动管理,无须手动管理。
  • 栈区由编译器自动分配释放,由操作系统自动管理,无须手动管理。
  • 栈区上的内容只在函数范围内存在,当函数运行结束,这些内容也会自动被销毁。
  • 栈区按内存地址由高到低方向生长,其最大大小由编译时确定,速度快,但自由性差,最大空间不大。
  • 栈区是先进后出原则(LIFO),其操作方式数据结构中的栈是一样的。

存放内容:

  • 临时创建的局部变量存放在栈区。
  • 函数调用时,其入口参数存放在栈区。
  • 函数返回时,其返回值存放在栈区。
  • const 定义的局部变量存放在栈区。

栈的大小是有限的,通常 Visual C++ 编译器的默认栈的大小为 1MB,所以不要定义 int a[1000000] 这样的超大数组。

2、堆区

  • 堆区按内存地址由低到高方向生长,其大小由系统内存/虚拟内存上限决定,速度较慢,但自由性大,可用空间大。
  • 堆区用于存放程序运行中被动态分布的内存段,可增可减。
  • 可以有 malloc 等函数实现动态分布内存,不过它的存储空间一般是不连续的,所以会产生内存碎片。
  • 有 malloc 函数分布的内存,必须用 free 进行内存释放,否则会造成内存泄漏。
  • 注意它与数据结构中的堆是两回事,不过分配方式类似于链表。
char* p = new char[20];
// 这行代码在Heap中开辟了20个char长度的空间,同时在Stack上压入了p,
// 指针变量p存在于栈上,其值为刚刚在堆上开辟的空间的首地址。

3、全局区(静态区)

全局区由 .bss 段和 .data 段组成,可读可写。

通常是用于那些在编译期间就能确定存储大小的变量的存储区,但它用于的是在整个程序运行期间都可见的全局变量和静态变量。

  • .bss 段 ——未初始化
    • 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量存放在 .bss段
    • 初始化为 0 的全局变量和初始化为0的静态变量存放在 .bss段
    • .bss段 不占用可执行文件空间,其内容由操作系统初始化。
  • .data段 ——已初始化
    • 已初始化的全局变量存放在 .data段
    • 已初始化的静态变量存放在 .data段
    • .data段 占用可执行文件空间,其内容由程序初始化。

注意,.bss段 只占运行时的内存空间而不占文件空间。在程序运行的整个周期内,.bss段 的数据一直存在

4、常量区

同样,常量区也是用于那些在编译期间就能确定存储大小的常量的存储区,并且在程序运行期间,存储区内的常量是全局可见的。这是一块比较特殊的存储去,他们里面存放的是常量,不允许被修改。

  • 字符串数字等常量存放在常量区。
  • const 修饰的全局变量存放在常量区。
  • 程序运行期间,常量区的内容不可以被修改。

常量数据段叫做 .rodata,即 read only,表示常量数据是不可修改的。一旦程序中对其修改将会出现段错误:

  • 程序中的常量不一定就放在 .rodata 中,有的立即数和指令编码放在 .text
  • 对于字符串常量,若程序中存在重复的字符串,编译器会保证只存在一个
  • .rodata 是在多个进程间共享的
  • 有的嵌入式系统,.rodata 放在 ROM(或者 NOR FLASH)中,运行时直接读取无需加载至 RAM。想要将数据放在 .rodata 只需要加上 const 属性修饰即可。

5、代码区

  • 程序执行代码存放在代码区,其值不能修改(若修改则会出现错误)。
  • 字符串常量和 define 定义的常量也有可能存放在代码区。

6、总结

下面已一段代码来看一下各部分存储:

#include <stdio.h>

static unsigned int val1 = 1;         // val1存放在.data段
unsigned int val2 = 1;                // 初始化的全局变量存放在.data段
unsigned int val3 ;                   // 未初始化的全局变量存放在.bss段
const unsigned int val4 = 1;          // val4存放在.rodata(只读数据段)

unsigned char Demo(unsigned int num)  // num 存放在栈区
{  
	char var = "123456";              // var存放在栈区,"123456"存放在常量区  
	unsigned int num1 = 1 ;           // num1存放在栈区  
	static unsigned int num2 = 0;     // num2存放在.data段  
	const unsigned int num3 = 7;      // num3存放在栈区  
	void *p;  
	p = malloc(8);                    // p存放在堆区  
	free(p); 
	return 1;
}

void main()
{  
	unsigned int num = 0 ;  
	num = Demo(num);                  // Demo()函数的返回值存放在栈区。
}

注意:静态局部变量和静态全局变量


属于静态存储方式的量不一定就是静态变量。


例如:全局变量虽属于静态存储方式,但不一定是静态变量,必须由 static 加以定义后才能成为静态外部变量,或称静态全局变量。

  • 把局部变量改变为静态变量后是改变了它的存储方式,即改变了它的生存期。
  • 把全局变量改变为静态变量后是改变了它的作用域,限制了它的使用范围。

假设现在有一个程序,它的函数调用顺序如下:

main(...) -> func_1(...) -> func_2(...) -> func_3(...),即:主函数 main 调用函数 func_1; 函数 func_1 调用函数 func_2; 函数 func_2 调用函数 func_3。

当一个程序被操作系统调入内存运行, 其对应的进程在内存中的映射如下图所示:

二、单片机存储分配

首先来看一下 RAM 和 ROM、Flash Memory 的物理特性。

1、存储器

1.1 RAM

RAM 是与 CPU 直接交换数据的内部存储器,也叫主存(内存)。它可以随时读写,而且速度很快,通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。

RAM 又称随机存取存储器,存储的内容可通过指令随机读写访问。RAM 中的存储的数据在掉电是会丢失,因而只能在开机运行时存储数据。其中 RAM 又可以分为两种:

  • 一种是 Dynamic RAM(DRAM,动态随机存储器)
  • 另一种是 Static RAM(SRAM,静态随机存储器)。

1.2 ROM

ROM 又称只读存储器,只能从里面读出数据而不能任意写入数据。ROM 与 RAM 相比,具有读写速度慢的缺点。但由于其具有掉电后数据可保持不变的优点,因此常用也存放一次性写入的程序和数据,比如主版的 BIOS 程序的芯片就是 ROM 存储器。

1.3 Flash Memory

由于 ROM 具有不易更改的特性,后面就发展了 Flash Memory。Flash Memory 不仅具有 ROM 掉电不丢失数据的特点,又可以在需要的时候对数据进行更改,不过价格比 ROM 要高。

1.4 不同数据的存放位置

由前面的分析我们知道,代码区和常量区的内容是不允许被修改的,ROM(STM32 就是 Flash Memory)也是不允许被修改的,所以代码区常量区的内容编译后存储在 ROM 中。

全局区.bss段.data段)都是存放在 RAM 中。

以 STM32F407 芯片为例:
在这里插入图片描述

  • ROM 区域是 0x8000000 开始,大小是 0x10000,这片区域是只读区域,不可修改,存放代码区常量区
  • 第一个 RAM 区域是 0x20000000 开始,大小是 0x2000,这片区域是可读写区域,存放的是全局(静态)区堆区栈区

2、程序占用内存大小

下面是 Keil 的 Build Output 窗口:

如上图,存在 CodeRO-dataRW-dataZI-data 四个代码段大小。

  • Code:代码,也就是编译之后产生的机器指令。
  • RO_dataRead Only data,只读数据域,指程序中用到的只读数据,这些数据被存储在 ROM 区,因而程序不能修改其内容。这部分在程序运行过程中不能被更改,因此在运行时只需要来读取即可,无需占用 RAM 空间。
  • RW_dataRead Write data,可读写数据域,指初始化为“非 0 值”的可读写数据,程序刚运行时,这些数据具有非 0 的初始值,且运行的时候它们会常驻在 RAM 区,因而应用程序可以修改其内容。
  • ZI_dataZero Initialie data,即 0 初始化数据,它指初始化为“0 值”的可读写数据域。它与 RW-data 的区别是程序刚运行时这些数据初始值全都为 0,而后续运行过程与 RW-data 的性质一样,它们也常驻在 RAM 区,因而应用程序可以更改其内容。

从生成的 map 文件可以非常方便地看到相关信息:

R A M = R W − d a t a + Z I − d a t a R O M = C o d e + R O − d a t a + R W − d a t a RAM = RW-data + ZI-data \\ ROM = Code + RO-data + RW-data RAM=RW−data+ZI−dataROM=Code+RO−data+RW−data

可以看到:对于 RAM 的空间,程序启动时首先需要把 Flash 中的 RW_data(RW)复制到 RAM 中,然后把 ZI_data 加载到 RAM中。

对应到具体的内存上,结合启动流程如下图所示。


因此,想要让一个程序正常运行。

  • 芯片的 Flash 大小 要大于 C o d e + R O − d a t a + R W − d a t a Code + RO-data + RW-data Code+RO−data+RW−data 的大小;
  • 芯片的 RAM 大小 要大于 R W − d a t a + Z I d a t a RW-data + ZI_data RW−data+ZId​ata 的大小。

标签:栈区,RW,常量,RAM,单片机,划分,存放,内存,data
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