STM32 内存分配、堆栈以及变量存储位置理解与分析

只看该作者 · 2023-7-31 17:03

1、STM32内存（FLASH和RAM）
一般来说单片机的内存指的是FLASH和RAM，当在程序中定义了全局变量、局部变量、只读变量等参数时都是会存放到对应的FLASH或者是RAM中。具体对单片机FLASH和RAM的介绍之后再写，这里只对单片机内存分配，对堆和栈以及变量的存储做一个梳理和记录。

2、FLASH
FLASH主要是存放代码和数据的。下面是将 flash 内部进行细分之后的一张图。

只看该作者 · 2023-7-31 17:04

STM32的flash是从地址0x0800 0000开始的，是向上增长的。Flash又可以细分为这么几个部分，分别是文本段 (Text),其中文本段中又包含可执行代码 (Executable Code)和常量 (Literal Value)，在文本段之后就是只读数据区域 (Read Only Data)，只读数据段后面接着的就是数据复制段 (Copy of Data Section)，这个段充当的作用是存放程序中初始化为非 0 值的全局变量的初始值，之所以要将初始值存放到这里，是因为全局变量是存放在 RAM 上的，RAM 上的值掉电便丢失，每次上电后这些变量是要进行重新赋值的，而重新赋的值就存放在这里。
可以看到STM32的flash中存放了代码、常量、只读数据和数据复制段。

只看该作者 · 2023-7-31 17:04

如何理解这些我们来做个实验。简单写一个点亮LED的测试工程，定义由const修饰的一个常量TEST_DATA1，和一个有初始值的全局变量TEST_DATA2。

复制

#include "sys.h"

#include "delay.h"

#include "led.h"

#include "usart.h"        



const int TEST_DATA1= 4660; //一个常量



int TEST_DATA2=0x1112;//一个有初始值的全局变量



int main(void)

{ 

        delay_init(168);                  //初始化延时函数

        LED_Init();                        //初始化LED端口

        uart_init(115200);



        printf("%p\r\n",&TEST_DATA1);

        printf("%p\r\n",&TEST_DATA2);

        while(1)

        {

          GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);  //LED0对应引脚GPIOF.9拉低，亮  等同LED0=0;

          GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10);   //LED1对应引脚GPIOF.10拉高，灭 等同LED1=1;

          delay_ms(500);                     //延时300ms

          GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);           //LED0对应引脚GPIOF.0拉高，灭  等同LED0=1;

          GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10); //LED1对应引脚GPIOF.10拉低，亮 等同LED1=0;

          delay_ms(500);                     //延时300ms

        }

}

只看该作者 · 2023-7-31 17:04

验证过程：
1、通过代码里printf把TEST_DATA1和TEST_DATA2的地址打印出来，通过串口助手可以看到：

TEST_DATA1存放在flash的0x0800 0d4c中，而TEST_DATA2存在ram中。这里解释一下，TEST_DATA1是一个常量存放在flash中是没错的，而TEST_DATA2是一个有初始值的全局变量，应该和上面说的一样存放在flash中然后在上电时把值搬到ram中，但是为什么打印出来是在ram呢？原因应该是它已经搬完了。接下来进一步去flash中找这两个值。

只看该作者 · 2023-7-31 17:04

2、在MAP文件中查找，通过双击“LED”，会跳转到MAP文件，我们使用快捷键“ctrl+f”在MAP中查找TEST_DATA变量，如下图

只看该作者 · 2023-7-31 17:05

在这里依然是串口里打印出来的地址，那再换一种方式。

只看该作者 · 2023-7-31 17:05

3、通过ST-LINK Utility软件直接查看芯片的flash。先定位到TEST_DATA1所在的0x0800 0d4c：

只看该作者 · 2023-7-31 17:05

在flash的0x0800 0d4c处找到了定义的常量TEST_DATA1：4660(0x1234)，通过全局搜索定义的TEST_DATA2：0x1112，在flash的最后找到了这个全局变量的初始值0x1112。

只看该作者 · 2023-7-31 17:06

这里已经验证过这两个值就是定义的TEST_DATA1和TEST_DATA2，还想测试的话可以多定义几个，结果是一样的。
这就是flash中变量的存储，除了代码外，还存在一些常量、只读变量以及有初始值的全局变量。

只看该作者 · 2023-7-31 17:06

3、RAM
相对对flash来说，ram主要就是用来存储数据了，如下是STM32中ram的分区

ram中包含了如下几个部分：
1、data : 存放初始化为非 0 值的全局变量
2、bss : 存放未初始化或者是初始化为 0 的全局变量
3、堆 (heap) : 由 malloc 申请，由 free 释放
4、栈 (Stack) : 存放局部变量和函数调用时的返回地址

只看该作者 · 2023-7-31 17:07

其中data和bss比较好理解就是一些全局变量。堆和栈的空间可以由我们来自由设定如下图所示，只要这些部分加起来不超过STM32的RAM空间。

只看该作者 · 2023-7-31 17:07

在STM32的启动文件(.s)中，刚开头就有对堆和栈空间的定义描述。如图定义了栈的大小是（0x400），堆的大小是（0x200）。栈里面存放的是一些函数执行时的局部变量、中断入口等，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。堆是程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在适当的时候用free或delete释放内存。

只看该作者 · 2023-7-31 17:07

再来看一下MAP文件，如下图

只看该作者 · 2023-7-31 17:07

可以看到在整个ram空间（0x2000 0000起）依次存放了data、bss、HEAP、STACK，其中堆和栈的大小和我们定义的是一致的。
在ram中值得关注的是堆和栈的空间，堆是向上增长的而栈是向下生长的，如果一个函数运行的时候有大量的局部变量（栈向下增长），同时程序在整个过程中malloc申请了大量的堆空间而没有释放（堆向上增长），造成堆和栈空间的冲突，一旦堆栈冲突，系统就崩溃了。

只看该作者 · 2023-7-31 17:07

特别说明一下，我使用了很多正点原子的工程，他们里面使用的自定义的mymalloc函数（区别于C的malloc）存放在bss字段里而不是HEAP字段里，使用的时候别搞混了。
综上就是STM32内存分配、堆栈以及变量存储位置的理解。

只看该作者 · 2023-8-4 13:49

堆栈是一种数据结构

只看该作者 · 2023-8-4 14:15

堆栈用于存储函数调用期间的局部变量、函数参数和返回地址等。在STM32上，堆栈通常使用由MSP（Main Stack Pointer）和PSP（Process Stack Pointer）指向的SRAM区域。

MSP用于主线程和中断服务例程的堆栈，而PSP用于任务（多线程）的堆栈。当发生中断时，内核会自动切换到MSP；当发生任务切换时，内核会自动切换到PSP。

堆栈的大小应根据应用程序和中断处理的需求进行合理配置。可以通过修改链接脚本或在启动文件中设置堆栈大小。

只看该作者 · 2023-8-4 15:08

stm32静态局部变量存储在什么

只看该作者 · 2023-8-4 15:33

堆栈的工作方式类似于数据结构中的栈。

只看该作者 · 2023-8-4 16:34

内存分配、堆栈和变量存储位置是非常重要的概念。