一文搞懂MCU RAM的分配

2024-01-07 17:33:50

一文搞懂MCU RAM的分配

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一文搞懂MCU RAM的分配

1. 前言

嵌入式MCU开发，通常受限于硬件资源，往往 RAM 和 ROM 空间有限，大一点的 MCU，RAM 空间也才 512KB，小的更是小的可怜，因此对于 RAM 空间和 ROM 空间是如何被分配走的，想要深入进阶的话是肯定需要了解的。

本文将采用STM32控制器为例，配合实验详细记录/阐述关于嵌入式MCU资源使用那些事！

2. 数据段含义

2.1 Program Size解析

比如我们使用 keil 编译完程序，编译成功之后，会在输出栏提示一行这样的信息

Program Size: Code=4620 RO-data=312 RW-data=16 ZI-data=1168

这便是我们编译的程序的大小，但这个 Program Size 又如何理解呢？其中的 Code、 RO-data 、RW-data 、ZI-data 段分别代表的是什么含义呢？

首先，我们来看看各自段代表的都是什么含义：

Code 段：代表的就是我们所编写的代码所占用的 flash 空间。当然需要注意的是，代码段的内容是经过编译器优化以及汇编之后的大小，你在代码里添加注释，或者一些无意义的代码是不会增大code段的大小的。
RO-data段：即read only - data，只读数据段。在代码中定义的 const 常量，printf 打印的固定字符等，这些均会被存放到此数据段内。
RW-data段：即 read write - data，可读可写段。代码中的变量存放在此数据段内。
ZI-data段：即 Zero Initial - data，初始化为0的可读写变量。

明白了每个字段代表的是什么含义，那我们定义的局部变量、全局变量以及常量是如何占用的ram空间的呢？以及具体真正占用 ram 和 rom 空间又是如何计算的呢？

关于占用 ram 和 rom 空间又是如何计算，直接提供给大家以下公式：

ROM空间大小计算方式：Total ROM = Code + RO-data + RW-data
RAM空间大小计算方式：Total RAM = RW-data + ZI-data

关于局部变量、全局变量、常量如何占用ram，我们接下来采用实验验证推理。

3. 局部变量、全局变量、常量如何占用 RAM?

3.1 栈大小Stack_Size 与堆大小Heap_Size

在弄清楚我们定义变量如何消耗 RAM 空间之前，我们先要弄清楚栈大小Stack_Size 和堆大小Heap_Size 这两个重要概念！

MCU的RAM空间被划分为多个区域，其中有两个重要组成：堆和栈（当前还有其他区域），此两个区域的大小设置可在对应的启动文件内查看并设置。
在这里插入图片描述
这里我们简单描述下栈和堆是如何使用的：

栈的使用：
- 在我们程序编码过程中，在函数内部定义一个局部变量，其实是在栈空间上申请了一个内存存放数据；
- 程序运行过程中，进入某个函数，需要将当前函数内的变量进行现场保存，也即压栈操作，及将当前的寄存器（如r0 r1等）进行压栈操作，也是从栈空间上占用一块内存存放数据；而函数退出的时候，需要进行恢复现场，及出栈操作，也即从栈空间内读取之前进入函数时进行压栈操作的数据，恢复寄存器数据，继续跑后续代码。
堆的使用：
- 在我们程序执行过程中，调用malloc实际便是从堆上申请一块内存用于使用。使用完成之后，需要调用free释放那块内存区域。
此外针对裸机程序，整个程序中使用的栈，均从启动文件startup_xxxx.s 文件中 Stack_Size 设置的栈空间中分配；而RTOS程序，各线程具有独立的栈空间，这一点需要注意。

接着我们进行如下测试验证。

3.2 验证栈大小设置，对程序编译的影响

修改栈大小，观察程序编译大小变化，设置 Stack_Size EQU 0x800，程序编译结果：Program Size: Code=3620 RO-data=380 RW-data=20 ZI-data=2124
修改栈大小为Stack_Size EQU 0x400 ，程序编译大小：Program Size: Code=3620 RO-data=380 RW-data=20 ZI-data=1100

比对以上结果可知，栈大小的设置会直接影响程序RAM的消耗，由于上述我们只是简单的修改了栈的大小，缩减了栈的空间，缩减的部分栈并没有被程序使用，故看到的只是ZI-data 数据段的变化。

3.3 验证局部变量RAM分配

设置启动文件，栈大小为Stack_Size EQU 0x400 ，即分配的栈空间为 0x400 = 1024Byte
在main()函数内 定义一个局部数组a，数据大小为1Byte，编译程序，查看程序编译大小变化
注意此处为了防止被编译器优化，我们增加 __attribute__((unused)) 修饰数组
编译查看程序大小，并运行
程序正常运行
之后 修改数组a大小为 400Byte，编译查看程序大小，并运行
程序正常运行，编译结果显示仅code字段发生了变化，RAM空间并未发生改变
之后再次修改数组a大小超过启动文件内分配的栈大小，设置数组a大小为 1030Byte，编译查看程序大小，并运行
编译结果显示仍然仅code字段发生了变化，RAM空间并未发生改变，但是实际运行程序会直接崩溃，仿真运行发现程序已卡死在HardFault_Handler()中断

综上，可得出以下结论：局部变量会占用栈Stack空间，栈大小Stack_Size在启动文件内设置，当栈空间不足时会导致程序运行崩溃

3.4 验证全局变量的RAM分配

局部变量占用的是系统栈空间，那全局变量是不是也是如此呢？接着我们同样进行验证。

注意，采用全局变量进行验证时，为了让编译器不进行优化，故需要在main函数内增加一行对此数组的使用，我们此处在main函数内增加一行代码如下：printf("%s", a);

定义数组a为全局变量，大小1Byte，使用__attribute__((unused)) 修饰，防止被编译器优化，编译查看程序编译结果，并运行
编译结果为：Program Size: Code=3600 RO-data=380 RW-data=24 ZI-data=1096 ，程序正常运行
修改数组a的大小为400Byte，继续验证
编译结果为：Program Size: Code=3600 RO-data=380 RW-data=20 ZI-data=1500 ，此时我们可以发现Total RAM增大了，Add Total Ram = （The current RW-data + The current ZI-data ) - (The laster RW-data + The laster ZI-data) = (1500 + 20) - (1096+ 24) = 400Byte（注意此处400Byte != (400 - 1)Byte 与字节对齐有关），程序正常运行
继续修改数组a大小为1030，使其超过系统栈大小（当前配置的系统栈大小0x400=1024Byte），继续验证
编译结果为：Program Size: Code=3600 RO-data=380 RW-data=20 ZI-data=2132 ，程序正常运行，并没有之前的死机现象，同时我们可以发现Total RAM继续增大，相比上次增大了 Add Total Ram = （The current RW-data + The current ZI-data ) - (The laster RW-data + The laster ZI-data) = (2132 + 20) - (1500 + 20) = 632Byte（注意此处632Byte != (1030 - 400)Byte与字节对齐有关）

综上，通过实验验证可知，定义全局变量不会占用系统栈空间，全局变量不同于局部变量，全局变量从RAM中单独申请空间。

3.5 验证全局常量和局部常量const的RAM分配

如果是const常量会怎样呢？我们在以上两个实验的基础上，增加const修饰变量

针对全局变量，采用const修饰，使其变为常量，会将此数据分配至RO-data字段，而不再再用RI-data字段
针对局部常量，采用const修饰，与不采用const修饰，程序编译结果均无变化，且由于数组a大小超出系统栈大小，导致程序无法正常运行，故针对局部变量，采用const修饰，仍然占用的是系统栈空间，是不是很震惊！
局部常量使用const会占用系统栈能够理解，修改为const之后，RO-data不会增加吗？这不应该吧。实际上这里又是优化导致（不确定是编译器优化还是c语言优化），由于我们将数组a的值赋值为0，所以被优化了，我们只需要简单的修改一下，让数组a里面不全是0即可。如下图所示，我们可以看到RO-data字段增加了，当然由于局部const常量仍然占用系统栈，且由于系统栈大小不够，故程序仍然无法运行！

3.6 关于堆的分配

关于堆的分配及使用比栈就简单多了，如下：

堆大小设置：
- 堆的总大小，在启动文件内进行设置，Heap_Size EQU 0x200。
堆空间的申请：
- 代码中使用malloc 动态申请，如果有足够大小的堆空间的话，则成功分配，并返回首地址指针；如果堆空闲空间不够，则失败，返回NULL；
堆空间的释放：
- 堆空间使用完之后，调用 free 动态释放，使用的时候注意不要重复释放，否则容易导致bug！

4. 总结

以上便是针对我们在编程中，编写代码时所会涉及到的RAM空间使用的分析，特别是变量及常量对于ram的占用，总结来说有以下几点：

系统堆栈大小从启动文件进行配置
全局变量不从系统栈分配，直接从ram分配
局部变量从系统栈分配
全局变量分配过大，超过芯片实际ram大小，编译器会帮你直接报错，局部变量分配过大，超过系统栈大小（裸机系统），编译器不会告诉你，程序只会莫名崩溃~
全局常量不占用 RAM，只占用 ROM （RO-data字段）
局部常量不仅占用ROM，还会占用系统栈大小！（裸机系统）

这些都是很细节的东西，想要成为一名资深开发者所必须了解的内容。希望对你有所帮助。

此外需要注意的是，以上是针对裸机系统进行的分析，在RTOS系统中，会有些许差别，主要在于在RTOS中会有系统栈和线程栈，不过也都是栈~

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