嵌入式内存分布

本篇主要讲嵌入式中内存分布情况。

一、内存分区

内存分区示意图如下：

1. 代码区

含义：

• 这是程序的可执行代码部分的大小，通常对应于 .text 段。

内容：

• 包含所有编译后的机器指令，即 MCU 将执行的代码。
• 字符串常量和define定义的常量存放在代码区，它们在预处理过程就会被替换成对应常量直接嵌入到代码中，最终链接为机械指令，也就是上点所说保存在.text段。
• 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）。

存储位置：

• Flash（闪存）。因为 Flash 是非易失性存储器，断电后数据仍然保留，适合存储程序代码。

2. 常量区

含义：

• 这是程序中只读数据的大小，通常对应于 .rodata 段。

内容：

包含所有的常量数据，例如 ：

• 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。

存储位置：

• Flash（闪存）。因为这些数据是只读的，存储在 Flash 中可以节省 RAM，并保证数据的持久性。

3. 全局(静态)区

全局(静态)区介绍

• 编译器编译时即分配内存，全局变量和静态变量的存储是放在一块的。C语言中，已初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。
• 全局区有 .bss段 和 .data段组成，可读可写。

.bss段

• 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(清零)。

存储位置：

• SRAM（静态随机存取存储器）
  • **Flash 中不占用空间：**因为这些变量的初始值为零，不需要在 Flash 中存储。
  • **程序启动时：**启动代码会将对应的 RAM 区域清零。

.data段

• 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。

存储位置：

• Flash（闪存）和 SRAM（静态随机存取存储器）
  • **Flash 中：**存储这些变量的初始值。
  • **SRAM 中：**在程序启动时，初始值从 Flash 复制到 RAM 中，以便在运行时可以修改这些变量。

4. 堆区(heap)

堆区介绍

• 堆区由程序员分配内存和释放。
• 堆区按内存地址由低地址到高地址增长，用malloc, calloc, realloc等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。

注意：堆内存牢记不忘释放，避免内存泄漏的情况。

调用函数

• 用malloc等函数实现动态分布内存。

void *malloc(size_t);

参数size_t是分配的字节大小。

返回值是一个void型的指针，该指针指向分配空间的首地址。

（void *型指针可以任意转换为其他类型的指针）

• 用free函数进行内存释放，否则会造成内存泄漏。

void free(void * /ptr/);

参数是开辟的内存的首地址。

5. 栈区(stack)

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地址到低地址方向增长，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，即先进去的被堵在屋里的最里面，后进去的在门口，释放的时候门口的先出去。

存放内容

• 临时创建的局部变量和const定义的局部变量存放在栈区。
• 函数调用和返回时，其入口参数和返回值存放在栈区。

二、STM32存储器分配

随机存储器—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。
• 当电源关闭时RAM不能保留数据（掉电数据消失哦）如果需要保存数据，就必须把它们写入一个长期的存储设备中（例如硬盘）。

2. 只读存储器—ROM

• 虽然叫做“只读存储器”，但实际上像EPROM跟EEROM是支持可重复写入的，之所以叫这个名字，跟它的起源有关。
• 读取速度相比RAM要慢
• 断电记忆存储功能。

ROM与Flash是什么关系

（1）上个世纪，发明了两种存储器，一个是RAM，一个是ROM。当时的ROM一旦存储数据就再也无法将之改变或者删除，也就是说，程序只有一次下载机会。如果你程序写错了，那么这个芯片就报废了。很明显非常的鸡肋。
（2）为了便于使用和大批量生产，进一步发展出了可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）。EPROM需要用紫外线长时间照射才能擦除，使用很不方便。
（3）1980s又出现了电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），它克服了EPROM的不足，但是集成度不高、价格较贵。
（4）于是又发展出了一种新型的存储单元结构同EPROM类似的快闪存储器（FLASH MEMORY）。FLASH集成度高、功耗低、体积小，又能在线快速擦除，因而获得了快速发展。关系图如下

（5）因此，现在的单片机存储数据主要是使用的Flash，就是替代以前的ROM，最大的有有点是降低了芯片的成本并且可以做到电擦写。但是因为最先发展出来的是ROM，所以很多时候，人们常常愿意说芯片里面的是ROM存储代码，而不是说Flash存储代码。我们需要了解到这个即可，随便你怎么讲。我们只需要知道，现在的芯片都是用Flash存储数据，但是也要能够明白，很多人讲的ROM就是Flash。

断电和通电状态下的数据存储

为什么要分断电和通电状态分析

（1）在一款MCU中，一个程序编译完成之后，需要烧录进去。这个程序有代码段，只读数据，可读可写数据。上文我们分析了，代码段和只读数据存储在ROM，那么可读可写的数据存储在哪里呢？难道是RAM吗？
（2）这些可读可写的数据有被赋予初值的变量。假设，这些变量存储在RAM，会发生什么？
（3）很明显，这些被赋予初值的变量存储在RAM，那么一旦断电了，这些初值将会消失！也就是说，我们的这些初值没了！
（4）由此可见，我们数据存储要分成断电和通电两种状态进行分析。而我们上面讲了那么多，其实都是以通电状态进行数据存储的分析的。

断电状态数据存储

（1）从上面的分析我们可以知道，虽然在通电状态下，可读可写数据是要存储在RAM的，但是在断电状态还是要存储在ROM的。所以，现在我就以STM32的断电和通电存储来进行讲解。
（2）我们对一个STM32的工程文件进行编译，会出现如下的编译结果。其中有一行是Program Size: Code=5984 RO-data=336 RW-data=56 ZI-data=1024 。
（3）
<1>Code : 代码段，存放程序的代码部分。
<2>RO-data：只读数据段，存放程序中定义的常量。
<3>RW-data：读写数据段，存放初始化为非 0 值的全局变量。
<4>ZI-data：零初始化的可读写变量，存放未初始化的全局变量及初始化为 0 的变量。

.bss 段不占空间的原因：

• 在编译时，.bss 段的变量并没有实际的初始值，因为这些变量在程序启动时会自动初始化为 0。因此，编译器只需要记录这些变量的大小，而不需要为它们分配额外的存储空间（比如在 Flash 中）。
• 不占用 Flash：由于 .bss 段中的数据没有初始值，编译器不需要在 Flash 中保存它们的初始化数据。

符号表的作用：

• 编译器会为每个变量分配一个地址，这个地址被记录在符号表中，用于在程序执行时访问变量。符号表在编译过程中使用，但不会被写入最终的可执行文件中。
• 在程序执行时，变量的地址存储在代码中，程序通过这些地址访问相应的内存。

程序执行时分配内存：

• 当程序启动时，启动代码（通常称为 C 运行时环境初始化代码，或 CRT）会在 RAM 中为 .bss 段的变量分配内存，并将其全部初始化为 0。因此，.bss 段中的变量在执行时才会占用 SRAM 空间，而不是在编译时占用 Flash 空间。

.data段占用空间解析：

.data这些变量在程序开始执行前就有明确的初始值，因此编译时需要在 Flash 中存储这些初始值，如果只是存储在RAM中，那么掉电会丢失。在程序启动时，启动代码会将这些初始值从 Flash 复制到 RAM 中，以便程序运行时可以修改这些变量。

因此，.data 段的初始值会占用 Flash 空间，并且在程序运行时占用 RAM 空间。

由此得知，在断电状态，数据都存储在了ROM中，如下。（注意，这张图没有出现Code，但是我们还是需要知道Code数据存储在ROM中）

通电状态数据存储

（1）通过上面的分析我们知道了断电和通电状态下的数据存储了。那么上电的一瞬间发生了什么？
（2）RO-Data数据不变，RW-Data的数据被复制到RAM区域，RAM中划分出一个ZI-data区域。当程序执行过程中，被初始化为0的数据，CPU会向ZI-data对应的变量中写入0。没有被初始化的数据，那么就是随机值。这也是为什么我们初学C语言的时候，反复强调要进行初始化。但是keil帮我们做了很多事情，如果你变量没有被初始化，他在划分ZI-data区域的时候，会把这个区域全部清零。

（3）RO-Data的数据就是常量区的数据，RW-Data对应静态区的数据段，ZI-data对应静态区的BSS段。那么堆栈呢？
（4）堆栈是由启动文件划分的，如果你感兴趣，可以打开STM32的启动你文件startup_stm32f10x_hd.s。

单片机中的内存分布

​ 在keil中编译程序完成后，在最下面的“Build Output”输出栏，可以看到有这样一行信息“Program Size: Code=321676 RO-data=35972 RW-data=4788 ZI-data=126284”，这句话提供了程序在编译后的大小信息，包括Code、RO-data、RW-data和ZI-data的大小。这些大小信息对开发人员和嵌入式系统设计者来说具有以下作用：

1. 内存优化：通过了解不同部分的大小，可以评估程序对内存的占用情况，帮助进行内存优化。例如，可以通过减少代码大小、优化数据存储方式或优化算法来减少内存的使用，从而节约系统资源。
2. 内存规划：了解程序的Code、RO-data、RW-data和ZI-data大小，可以帮助进行内存规划。在嵌入式系统设计中，内存资源是有限的，因此需要合理地分配内存空间来满足程序的需求。通过了解不同部分的大小，可以确定它们在内存中的布局和分配方式，以避免冲突或浪费。
3. 系统可靠性：内存的合理管理对系统的可靠性至关重要。通过了解程序的大小，特别是RO-data和RW-data的大小，可以确保所使用的内存空间不会超出设备的可用内存范围，避免内存溢出和相关的错误。
4. 调试和故障排查：Program Size提供的信息可以用于调试和故障排查。如果程序运行时出现问题，例如崩溃或性能问题，可以通过检查不同部分的大小和内存使用情况来定位问题所在，并分析是否存在内存相关的错误或瓶颈。

​ 能更好的帮助开发人员在嵌入式系统设计中更好地管理内存资源，并确保程序在目标设备上正常运行。

参考文档

[C语言+单片机-内存分布详解，全网最全，值得收藏保存_单片机内存划分-CSDN博客](https://blog.csdn.net/Wang_XB_3434/article/details/131318213)

[RAM明明断电会丢失数据，为什么初始化的全局变量存储在RAM？详细分析程序的存储-云社区-华为云 (huaweicloud.com)](https://bbs.huaweicloud.com/blogs/407311)

[ROM、RAM、FLASH、DDR、EMMC 百科 – 学习笔记 - 二的次方 - 博客园 (cnblogs.com)](https://www.cnblogs.com/roger-yu/p/16655061.html)