单片机内存区域划分

单片机内存区域划分

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Teminator_/article/details/141786133

本文详细介绍了C语言内存分区和单片机存储分配的相关知识。文章内容详尽，涵盖了栈区、堆区、全局区、常量区和代码区等多个内存区域的详细解释，并通过具体代码示例帮助读者理解。此外，文章还详细介绍了单片机中的RAM、ROM和Flash Memory等存储器的物理特性及其在实际应用中的数据存放位置。

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：

• 栈区
• 堆区
• 全局区（静态区）
• 常量区
• 代码区

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
  中
• 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，所以代码区和常量区的内容编译后存储在 ROM 中。

而栈、堆、全局区（
.bss段
、
.data段
）都是存放在 RAM 中。

以 STM32F407 芯片为例：

• ROM 区域是
  0x8000000
  开始，大小是
  0x10000
  ，这片区域是只读区域，不可修改，存放代码区和常量区。
• 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、堆区和栈区。

2、程序占用内存大小

下面是 Keil 的 Build Output 窗口：

如上图，存在
Code
、
RO-data
、
RW-data
、
ZI-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_data：Read 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_data：Read 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_data：Zero 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：

RAM = RW-data + ZI-data
ROM = 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Code + RO-data + RW-data的大小；
• 芯片的 RAM 大小 要大于RW-data + ZI data的大小。

在MDK中（其实是
ARM Compiler
中），默认情况下，所有尺寸小于 8 个字节、本应放在
.bss
段的
ZI Data
，都会被作为普通 RW Data 放在 “
.bss
” 段——之所以这么做是因为编译器觉得：通过循环赋值的方法给这帮小变量初始化成 0 太不划算了，初始化他们的程序都比变量本身还大呢，干脆放几个 0 到 RW 的初始值表里，由 RW 数据的初始化程序顺手处理好了——说了这么多，如果不好理解，简单理解成出于优化的目的就行了。

要想关闭这个优化，在命令行中加入“
--bss_threshold=0
” 就可以了。顺便说下，默认设置相当于“
--bss_threshold=8
”。

.data section
和
.bss section
是两个默认的 section，我们还可以定义自己的 section，并自己指定将哪些变量放到里面。具体怎么实现，请查阅对应编译器的使用手册。记住：变量和代码都是放在段里面的，段具体放在哪里（什么地址上）则是由 linker 的脚本控制的。

在 MDK 中（也就是
ARM Compiler
中），这个脚本叫做
scatter-loading file
；在 IAR 和 GCC 也有对应的
LinkerScript
，只不过语法规则不同，感兴趣的人可以查阅对应的手册。