探索APM32嵌入式开发中的RAM数据段与资源分配

21小跑堂 · 发表于 2024-9-13 17:53

本帖最后由 DKENNY 于 2024-9-13 17:52 编辑

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1. 前言
在嵌入式 MCU 开发中，由于硬件资源有限，RAM 和 ROM 空间常常比较紧张。即使是一些较大的 MCU，其 RAM 空间也通常只有 512KB，而一些小型 MCU 的 RAM 则更显微薄。本文将以 APM32 控制器为例，通过实验介绍RAM的相关数据段以及资源分配情况。

2. 数据段含义

2.1 Program Size解析
在使用 Keil 编译程序后，编译成功时会在输出栏看到一行信息，其中包含了 Program Size。那么，这个 Program Size 实际上意味着什么呢？其中的 Code、RO-data、RW-data 和 ZI-data 各代表什么呢？

例如，输出信息为：

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Program Size: Code=1676 RO-data=512 RW-data=40 ZI-data=1024

   - Code 段：这个部分表示我们编写的代码占用了多少 Flash 存储空间。需要注意的是，Code 段的大小是经过编译器优化和汇编处理后的结果，添加注释或无效代码不会影响 Code 段的大小。
      - RO-data 段：即只读数据段（Read-Only Data）。在代码中定义的 const 常量以及某些固定的字符（如 printf 打印的内容）都会存储在这个数据段中。
      - RW-data 段：可读可写数据段（Read-Write Data）。代码中的变量会被存放在这个数据段内。
      - ZI-data 段：即零初始化数据（Zero-Initialized Data）。用于存放那些初始化为 0 的可读写变量。

那么，局部变量、全局变量和常量是如何占用 RAM 空间的呢？如何计算它们实际占用的 RAM 和 ROM 空间呢？
关于 RAM 和 ROM 空间的占用计算方式如下：
   - 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

通过实验，我们可以进一步验证和推理局部变量、全局变量以及常量是如何占用 RAM 的。

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
但在此之前，我们需要先了解栈大小（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，其中包括堆和栈（还有其他区域）。这两个区域的大小可以在对应的启动文件中查看和设置。

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当我们编写程序时，栈（Stack）和堆（Heap）是如何使用的呢？
- 栈的使用：在程序编码过程中，当我们在函数内部定义一个局部变量时，实际上是在栈空间上申请了一块内存来存储数据。在程序运行过程中，当进入某个函数时，需要保存当前函数内的变量状态，也就是进行压栈操作。这意味着将当前的寄存器（如 r0、r1 等）压入栈空间，以便在函数退出时能够恢复现场。压栈操作实际上就是在栈空间上占用一块内存来存储数据。当函数退出时，需要进行出栈操作，即从栈空间中读取之前压栈操作保存的数据，恢复寄存器的值，然后继续执行后续的代码。
- 堆的使用：在程序执行过程中，当我们调用 malloc 函数时，实际上是从堆上申请一块内存来供我们使用。一旦使用完成，我们需要调用 free 函数来释放这块内存区域，以便其他部分可以继续使用。

此外，对于裸机程序（没有操作系统的程序），整个程序使用的栈都是从启动文件（如 startup_xxxx.s）中设置的栈空间中分配的。而对于使用实时操作系统（RTOS）的程序，每个线程都具有独立的栈空间，这一点需要特别注意。

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
1. 修改栈大小，观察程序编译大小变化，设置 Stack_Size EQU 0x800，程序编译结果如下。

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Program Size: Code=1676 RO-data=512 RW-data=40 ZI-data=2048

2. 修改栈大小为 Stack_Size EQU 0x400 ，程序编译结果如下。

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Program Size: Code=1676 RO-data=512 RW-data=40 ZI-data=1024

根据以上结果，我们可以得出结论：调整栈的大小直接会影响程序占用的RAM量。在我们的情况下，我们只是简单地减小了栈的大小，但实际上这部分未被使用的栈空间缩减只导致了ZI-data数据段的变化。

3.3 验证局部变量RAM分配
1. 首先，设置启动文件中的栈大小为 Stack_Size EQU 0x400，这意味着我们分配了 0x400 字节的栈空间，也就是 1024 字节。
2. 接下来，在 main() 函数内定义一个局部数组 a，其大小为 1 字节。然后编译程序，查看编译后程序的大小变化。
3. 为了防止编译器优化掉这个数组，我们在定义时增加 __attribute__((unused)) 修饰符。

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4. 最后，进行编译以查看程序的大小变化，并运行程序来验证结果。
5. 经过操作后发现程序可以正常运行。
6. 接下来，我们将再次修改数组 a 的大小为 400 字节。然后进行编译并查看程序的大小变化，并最后运行程序。

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7. 在此次实验中，经过编译后发现程序可以正常运行。编译结果显示只有 code 段发生了变化，而 RAM 空间并没有发生改变。
8. 接着，我们将再次修改数组 a 的大小，这次设置为 1040 字节，已超过了启动文件内分配的栈大小。然后进行编译，查看程序的大小变化，并运行程序，以观察这次变化带来的影响。

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9. 经过编译后，发现程序的 code 字段仅发生了变化，而 RAM 空间并没有改变。然而，当我们尝试实际运行程序时，程序却直接崩溃了。在进行仿真运行后，我们发现程序已经卡在了 HardFault_Handler() 中断处。

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从以上分析，我们可以得出几个关键结论：
- 1. 局部变量会占用栈空间，而这个栈的大小（Stack_Size）是在启动文件中进行设置的。
- 2. 其次，当栈空间不足时，程序就可能发生崩溃。因此，合理配置栈大小对于确保程序的稳定运行至关重要。

3.4 验证全局变量的RAM分配
我们已经了解局部变量如何影响系统栈空间了，接下来我们想知道全局变量是否也会占用系统栈空间。

在使用全局变量进行验证时，为了防止编译器进行优化，我们需要在 main 函数内增加一行代码来使用这个数组。因此，在 main 函数中我们新增一行代码：

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printf("%s", a);

这样做可以确保全局变量的占用情况被准确地观察和验证。接下来让我们进行实验，以验证全局变量在系统栈空间上的影响。
1. 首先，我们定义一个全局变量数组 a，大小为 1 字节，并使用 __attribute__((unused)) 修饰符来防止编译器对其进行优化。接下来，进行编译并查看程序的编译结果，然后运行程序进行验证。

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2.编译结果如下，且程序正常运行。

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Program Size: Code=1952 RO-data=512 RW-data=48 ZI-data=1024

3. 接下来，我们将数组 a 的大小修改为 400 字节，然后继续进行验证。

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4. 编译结果如下，且程序正常运行。

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Program Size: Code=1952 RO-data=512 RW-data=44 ZI-data=1428

此时我们可以发现Total RAM增大了。

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Add Total Ram = （The current RW-data + The current ZI-data ) - (The laster RW-data + The laster ZI-data) = (1428 + 44) - (1024+ 48) = 400Byte（注意此处400Byte != (400 - 1)Byte 与字节对齐有关）

5. 继续修改数组a大小为1040，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。

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6. 编译结果如下。

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Program Size: Code=1952 RO-data=512 RW-data=44 ZI-data=2068

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。

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Add Total Ram = （The current RW-data + The current ZI-data ) - (The laster RW-data + The laster ZI-data) = (2068 + 44) - (1428 + 44) = 640Byte（注意此处640Byte != (1040 - 400)Byte与字节对齐有关）

通过我们的实验验证可以得出结论：
全局变量的定义不会占用系统栈空间，这是因为全局变量与局部变量不同，它们在RAM中会单独申请空间。这种区别使得全局变量在内存管理方面具有独特的优势和特点。

3.5 验证全局常量和局部常量const的RAM分配
接下来，我们将在前面两个实验的基础上，对 const 常量进行进一步探讨。
1.针对全局变量，如果我们使用 const 修饰，将其变为常量，这将导致该数据被分配到只读数据段（RO-data），而不再使用未初始化数据段（ZI-data）。这种修改会对内存分配方式产生影响，从而优化全局变量在程序中的存储方式。

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2.接下来，我们来看局部常量的情况。
对于局部常量，如果使用 const 修饰与不使用 const 修饰，程序的编译结果基本没有差别。然而，由于数组 a 的大小超出了系统栈的限制，导致程序无法正常运行。值得注意的是，即使采用 const 修饰，局部变量仍然会占用系统栈空间。

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3. 在使用 const 修饰局部常量后，我们期望只读数据段（RO-data）会增加，但实际上却没有增加。这种情况可能是由于优化导致的，具体是编译器优化还是 C 语言本身的优化暂时不得而知。因为我们将数组 a 的值都赋为0，这种情况被优化了。如果我们简单地修改一下，让数组 a 中的值不全为0，就能看到 RO-data 字段的增加。然而，尽管局部 const 常量会占用系统栈空间，由于系统栈大小不够，程序仍然无法正常运行。

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综上，我们得出以下结论。
- 全局常量 const：全局常量使用 const 修饰后，会被放入只读数据段（RO-data segment），不占用系统栈空间。这种特性使得全局常量在程序运行时不能被修改，但可以被读取。
- 局部常量 const：局部常量使用 const 修饰后，虽然仍然占用系统栈空间，但由于优化的原因，当局部 const 常量的值可以在编译期间确定且未被修改时，可能不会导致只读数据段的增加。然而，如果在局部 const 常量中的值难以在编译期间确定或者被修改，只读数据段可能会增加。

3.6 关于堆的分配
关于堆的分配和使用，实际上比栈要简单得多，具体内容如下：

- 1. 堆的大小设置
      在启动文件中定义堆的总大小，设置代码为：Heap_Size EQU 0x200。
- 2. 申请堆空间
      在代码中可以使用 malloc 来动态申请堆空间。如果堆中有足够的空闲空间，申请会成功，并返回一个指向首地址的指针；如果堆已满，则返回 NULL 表示申请失败。
- 3. 释放堆空间
      当使用完堆空间后，应该调用 free 函数来释放。如果不小心重复释放同一块空间，很容易导致程序出现错误（bug）。

通过这样的方式，我们可以高效地管理堆内存空间。

4. 总结
以上内容分析了编程中涉及的 RAM 空间使用，特别是变量和常量对 RAM 的占用情况。归纳起来，有以下几点要注意：

要点	内容
堆栈大小配置	系统堆栈的大小是在启动文件中进行设置的。
全局变量分配	全局变量不是从系统栈分配的，而是直接从 RAM 中分配空间。
局部变量分配	局部变量的内存是从系统栈中分配的。
变量大小限制	如果全局变量的分配超过了芯片实际的 RAM 大小，编译器会直接报错；而局部变量如果超出系统栈大小（在裸机系统中），编译器则不会警告，程序可能会意外崩溃。
全局常量的内存占用	全局常量不占用 RAM 资源，它们仅占用 ROM 的只读数据区域。
局部常量的内存占用	局部常量不仅占用 ROM，还会消耗一定的系统栈空间，在裸机系统中尤其需要注意。

注意事项
需要强调的是，以上分析主要针对裸机系统。在实时操作系统（RTOS）中，情况会有所不同，因为 RTOS 中存在系统栈和线程栈，但总体概念依然与栈相关。

5. 附件
测试工程:

Template.zip (787.17 KB, 下载次数: 4)

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