2019年04月01日 | STM32 内存分配详解

1、KEIL 编译后数据

code

RO-data

RW-data

ZI-data

flash 实际存储数据

2、内存段

bss 段、data段、text段、堆(heap)和栈(stack)。

2.1、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。 

2.2、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。 

2.3、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。

2.4、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）。

2.5、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。 

2.6、一个程序本质上都是由 bss 段、data 段、text 段三个组成

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。

2.6、示例

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。

编译并使用了/FAs编译选项来查看了一下其各自的.asm。

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。

3、内存管理

STM32 的存储器结构中 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。

3.1、STM32 中的堆栈

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。

3.2、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。

MDK 下分为：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，会出现 hardfault 问题。

3.3、OS中的堆栈及其内存管理

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。