stm32-Hardfault

STM32内存结构

1.要点
1.1 两种存储类型: RAM 和 Flash
RAM可读可写，在STM32的内存结构上，RAM地址段分布[0x2000_0000, 0x2000_0000 + RAM size)
Flash只读，在STM32的内存结构上，Flash地址段[0x0800_0000, 0x2000_0000)
1.2 六类存储数据段: .data/.bss/.text/.constdata/heap/stack
.data数据段: 用来存放初始化了但不是初始化为0的全局变量(global)和静态变量（static）。它是可读可写的
.bss(Block Started by Symbol)数据段: 用于存放没有初始化或初始化为0的全局变量和静态变量，可读可写，如果没有初始化, 系统会将变量初始化为0.
.text代码段: 用来放程序代码（code）， 在代码编译完成后, 长久只读存放于此.
.constdata只读常量数据段: const限定的数据类型存放与此，只读.
heap堆区: 通常只我们说的动态内存分配,使用内存分配器(memory allocator)管理, malloc/free进行申请和释放
stack栈区: 在代码执行时用来保存函数的局部变量和参数。其操作方式类似于数据结构中的栈，是一种“后进先出”（Last In First Out，LIFO）的数据结构。这意味着最后放到栈上的数据，将会是第一个从栈上移走的数据，对于哪些暂时存储的信息，和不需要长时间保存的信息来说，LIFO这种数据结构非常理想。在调用函数或过程后，系统通常会清除栈上保存的局部变量、函数调用信息及其它信息。栈的顶部通常在可读写的RAM区的最后，其地址空间通常“向下减少”，即当栈上保存的数据越多，栈的地址就越小。

1.3 三种存储属性区: RO/RW/ZI
RO (Read Only ): 只读区域, 需要长久保存，烧写到Rom/Flash段,上文数据段的.text段和.constdata段属于此属性区(有时.constdata 段也被叫做 RO-data段, 和这个广义的RO注意区分)
RW (Read Write): 可读可写的初始化了的全局变量和静态变量段，上文中的.data段属于RW区
ZI (Zero Init): 没有进行初始化或者初始化为0，系统上电时会主动把此区域数据进行0初始化，上文的.bss段就是. 另外, 可翻看Keil工具编译的map文件，Heap和Stack区也进行了Zero的属性标注, 因此， Heap和Stack也可认为是ZI区域
RW区比较特别, 可读可写但又进行了初始化,因为RAM中的数据是掉电不可保存的，因此RW区的.data段数据也需要保存在Rom/Flash里面，上电时候再将此类数据复制到RAM区域读写使用。而ZI区域数据不需要掉电保存，直接上电时初始化为0即可使用，因此不需要保存在ROM中。这样，计算RAM/ROM占用空间的公式:

ROM Size = .text + .constdata + .data (RO + RW)
RAM Size = .bss + .data (ZI + RW)

这里RAM size计算时未考虑Stack和Heap区, 实际size是大于此的， 因为这两个区域具备动态变化的复杂性，难于估计。

定义一个全局数组变量举例:

1. static unsigned char test[1024];  //全局、未初始化, ZI区,不影响ROM size
2. static unsigned char test[1024] = {0};  //全局、初始化为0, ZI区,不影响ROM size
3. static unsigned char test[1024] = {1};  //全局、初始化为非0, RW(.data)区,ROM Size 扩大
1.4 扩展说说Heap
在STM32的启动代码startup_*.s文件中,一般这样定义了堆大小：

Heap_Size      EQU     0x200;

在实际使用中, 这个区域可能比1.2节提到的简洁描述更为复杂。

很多小项目没有使用内存分配器: 由于各种原因(RAM不足、程序简单、etc)，一些所必须的大块或固定内存直接使用数组的方式定义使用,绕开了内存分配器。那么这个时候, Heap_Size 的存在是没有意义的, Heap_Size 定义越大，越浪费空间，可以直接Heap_Size定义为0。这个时候, 本来该堆区提供的空间可能定义在了.bss段(全局/静态数组没有初始化)、或.data(全局/静态数据初始化为非0)、或Stack上(使用了局部数组变量, Tips: 但大的数组不建议定义在stack, 否则可能栈溢出)
重新实现内存分配器：没有直接将内存分配器直接映射在堆区，而是先定义大的数组内存(可能在.bss或.data, 为避免在ROM存储, 最好在.bss)， 再将这块内存给内存分配器支配使用
内存分配器直接使用Heap区: 这个时候就要计算好预留多少空间给Stack区, 留多了，Stack用不上浪费；留少了极可能造成Stack溢出而程序崩溃
除了使用自带RAM外，同时使用外部扩展RAM: 这就需要内存分配器来管理好几块地址不连续的RAM空间了

Stm32的keil编译连接如上图所示。

编译信息包含以下几个部分：
    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: 零数据段，存放未初始化的全局变量及初始化为0的变量；

编译完工程会生成一个. map 的文件，该文件说明了各个函数占用的尺寸和地址，在文件的最后几行也说明了上面几个字段的关系：

Total RO  Size (Code + RO Data)                46052 (  44.97kB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)             36552 (  35.70kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)      46212 (  45.13kB)
    1）RO Size 包含了 Code 及 RO-data,表示程序占用Flash空间的大小
    2）RW Size 包含了RW-data及ZI-data，表示运行时占用的RAM的大小
    3）ROM Size 包含了Code, RO Data以及RW Data, 表示烧写程序所占用的Flash空间的大小

STM32中程序占用内存容量
Keil MDK下Code, RO-data,RW-data,ZI-data这几个段:

Code存储程序代码。
RO-data存储const常量和指令。
RW-data存储初始化值不为0的全局变量。
ZI-data存储未初始化的全局变量或初始化值为0的全局变量。
占用的Flash=Code + RO Data + RW Data;

运行消耗的最大RAM= RW-data+ZI-data;

这个是MDK编译之后能够得到的每个段的大小，例如下图Program Size 中的Code R0 RW ZI

可以计算出占用的FLASH = 34456+456+172=34.26kB，占用的RAM=172+18908=18.63kB

那么堆栈是如何分配的呢，堆栈的内存占用就是在上面RAM分配给RW-data+ZI-data之后的地址开始分配。

堆:编译器调用动态内存分配的内存区域。

栈:程序运行的时候局部变量的地方，先进后出，这种结构适合程序调用，所以局部变量用数组太大了都有可能造成栈溢出

堆栈溢出容易导致HaltFault。

堆栈大小的设置在启动文件start_stmf103xb.s中（以STM32F103为例）：

全局变量被未知原因改变的解决方法

在开发的过程中总会碰到一些奇怪的问题，仿真的时候一看，发现是某个全局变量被莫名其妙改变了，导致整个函数判断都出了问题。
全局变量可能会被改变的原因有以下几点：

1.自己改的（废话~）：好好查看这个变量被谁调用了

2.全局变量字节未对齐：
有一次调试的时候发现一个变量定义成局部变量就能正常运行，而定义成全局变量就不能运行了。局部变量能运行说明我程序的逻辑是没问题的，找原因的时候一看是我全局变量经常会莫名其妙被改变。找了一圈发现这个变量根本没被其他函数使用。
后面通过仿真，得到该变量的地址（假设为0x1002）。地址除以4之后发现不是一个整数，这才发现是这个变量字节未4字节对齐导致的。至于为什么不对齐，我也不知道！
解决方法：使用 attribute((aligned(4))) 修饰，使其4字节对齐，就完美解决了。

3.指针未初始化：
假如你定义的变量是指针类型的话，没有给他初始化则会导致该指针是个野指针，里面的值是不确定的。

总之开发的过程中，少用全局变量，要用的话尽量用结构体，做好分层，提高代码的可阅读性和移植性。