參考：詳解ROM和RAM
作者：嵌入式實驗樓
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內(nèi)存相關(guān)博文：
1、內(nèi)存四區(qū)（代碼區(qū) 靜態(tài)區(qū) 棧區(qū) 堆區(qū)）
2、程序運行時對應(yīng)的內(nèi)存分布（BSS段、數(shù)據(jù)段、代碼段、堆、棧）關(guān)系
3、深入理解STM32內(nèi)存管理

目錄

• 1、STM32存儲器架構(gòu)
• • 1.1 STM32的SRAM
  • 1.2 STM32的Flash
• 2、STM32內(nèi)存分析
• • 2.1 STM32程序占用ROM(FLASH)和RAM的大小分析
  • 2.2 STM32程序的內(nèi)存分配
  • 2.3實例代碼分析

在討論STM32的內(nèi)存之前，先來看看STM32的存儲器系統(tǒng)，我們知道，STM32大都屬于Cortex-M系列的處理器，可以對32的存儲器進行尋址，因此存儲器的尋址空間能夠達到4G，這就意味著指定和數(shù)據(jù)共用相同的地址空間，也就是將程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個4GB的線性地址空間內(nèi)。數(shù)據(jù)字節(jié)以小端格式存放在存儲器中。一個字里的最低地址字節(jié)被認為是該字的最低有效字節(jié)，而最高地址字節(jié)是最高有效字節(jié)。

1、STM32存儲器架構(gòu)

4G的地址空間就是地址編碼的范圍。所謂編碼就是對每一個程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器和輸入輸出端口(一個字節(jié))分配一個唯一的地址號碼，這個過程又叫做“編址”或者“地址映射”。這個過程就好像在日常生活中我們給每家每戶分配一個地址門牌號。與編碼相對應(yīng)的是“尋址”過程——分配一個地址號碼給一個存儲單元的目的是為了便于找到它，完成數(shù)據(jù)的讀寫，這就是“尋址”，因此地址空間有時候又被稱作“尋址空間”。

有了4G的可尋址空間，我們就可通過尋址來操作相應(yīng)的地址對象。這就需要將程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器和輸入輸出端口進行統(tǒng)一編號，也就是存儲器映射。

存儲器映射是指把芯片中或芯片外的FLASH，RAM，外設(shè)，BOOTBLOCK等進行統(tǒng)一編址。即用地址來表示對象。這個地址絕大多數(shù)是由廠家規(guī)定好的，用戶只能用而不能改。用戶只能在掛外部RAM或FLASH的情況下可進行自定義。

如下圖，是Cortex-M3存儲器映射結(jié)構(gòu)圖。

Cortex-M3是32位的內(nèi)核，因此其PC指針可以指向2^32=4G的地址空間，也就是0x0000_0000——0xFFFF_FFFF這一大塊空間。根據(jù)圖中描述，Cortex-M3內(nèi)核將0x0000_0000——0xFFFF_FFFF這塊4G大小的空間分成8大塊：代碼、SRAM、外設(shè)、外部RAM、外部設(shè)備、專用外設(shè)總線-內(nèi)部、專用外設(shè)總線-外部、特定廠商等，因此使用該內(nèi)核的設(shè)計者必須按照這個進行各自芯片的存儲器結(jié)構(gòu)設(shè)計。

首先，我們對比一下Cortex-M3存儲器結(jié)構(gòu)和STM32存儲器結(jié)構(gòu)：

圖中可以很清晰的看到，STM32的存儲器結(jié)構(gòu)和Cortex-M3的很相似，不同的是，STM32加入了很多實際的東西，如：Flash、SRAM等。只有加入了這些東西，才能成為一個擁有實際意義的、可以工作的處理芯片——STM32。

STM32的存儲器地址空間被劃分為大小相等的8塊區(qū)域，每塊區(qū)域大小為512MB。

對STM32存儲器知識的掌握，實際上就是對Flash和SRAM這兩個區(qū)域知識的掌握。由STM32的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，Flash和SRAM這兩個區(qū)域分別由ICode總線和DCode總線與處理器通信，以此完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換。

下面將重點描述Flash和SRAM的知識。

1.1 STM32的SRAM

不同類型的STM32單片機的SRAM大小是不一樣的，但起始地址都是0x2000 0000，終止地址都是0x2000 0000+其固定的容量大小。

SRAM的理解比較簡單，其作用是用來存取各種動態(tài)的輸入輸出數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果以及與外部存儲器交換的數(shù)據(jù)和暫存數(shù)據(jù)。設(shè)備斷電后，SRAM中存儲的數(shù)據(jù)就會丟失。

1.2 STM32的Flash

STM32的Flash，嚴格說，應(yīng)該是Flash模塊。該Flash模塊包括：Flash主存儲區(qū)（Main memory）、Flash信息區(qū)（Informationblock），以及Flash存儲接口寄存器區(qū)（Flash memory interface）。三個組成部分分別在0x0000 0000——0xFFFF FFFF不同的區(qū)域，如下表所示。

STM32的閃存模塊由：主存儲器、信息塊和閃存儲器塊3部分組成。

主存儲器，該部分用來存放代碼和數(shù)據(jù)常數(shù)（如加const類型的數(shù)據(jù)）。對于大容量產(chǎn)品，其被劃分為256頁，每頁2K，注意，小容量和中容量產(chǎn)品則每頁只有1K字節(jié)。主存儲起的起始地址為0X08000000，B0、B1都接GND的時候，就從0X08000000開始運行代碼。

信息塊，該部分分為2個部分，其中啟動程序代碼，是用來存儲ST自帶的啟動程序，用于串口下載，當(dāng)B0接3.3V，B1接GND時，運行的就這部分代碼，用戶選擇字節(jié)，則一般用于配置保護等功能。

閃存儲器塊，該部分用于控制閃存儲器讀取等，是整個閃存儲器的控制機構(gòu)。

對于主存儲器和信息塊的寫入有內(nèi)嵌的閃存編程管理；編程與擦除的高壓由內(nèi)部產(chǎn)生。

在執(zhí)行閃存寫操作時，任何對閃存的讀操作都會鎖定總線，在寫完成后才能正確進行，在進行讀取或擦除操作時，不能進行代碼或者數(shù)據(jù)的讀取操作。

2、STM32內(nèi)存分析

在C/C++程序中，編譯的程序占用內(nèi)存分為5個區(qū)，分別為棧區(qū)、堆區(qū)、全局/靜態(tài)存儲區(qū)、常量存儲區(qū)、代碼區(qū)。

1.Text段(CodeSegment/Text Segment,代碼段)：通常是指用來存放程序執(zhí)行代碼的一塊內(nèi)存區(qū)域，也就是存放CPU執(zhí)行的機器指令(machineinstructions)。這部分區(qū)域的大小在程序運行前就已經(jīng)確定，并且內(nèi)存區(qū)域通常屬于只讀(某些架構(gòu)也允許代碼段為可寫，即允許修改程序)。在代碼段中，也有可能包含一些只讀的常數(shù)變量，例如字符串常量等。

2.全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)/靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)(Initialized data segment/Data segment)：該區(qū)包含了在程序中明確被初始化的全局變量、靜態(tài)變量（包括全局靜態(tài)變量和局部靜態(tài)變量）和常量數(shù)據(jù)（如字符串常量）。數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配。static聲明的變量放在data段。

3.BSS段(BlockStarted by Symbol)：BSS段通常是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內(nèi)存區(qū)域。BSS段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配。

4.堆(heap)：堆是用于存放程序運行中被動態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可動態(tài)擴張或縮減。也就是常說的用malloc，calloc, realloc 等函數(shù)分配的變量空間是在堆上。當(dāng)程序調(diào)用malloc等函數(shù)分配內(nèi)存時，新分配的內(nèi)存就被動態(tài)添加到堆上（堆被擴張）；當(dāng)利用free等函數(shù)釋放內(nèi)存時，被釋放的內(nèi)存從堆中被剔除（堆被縮減）。

5.棧(stack)：棧又稱堆棧，是用戶存放程序臨時創(chuàng)建的局部變量，也就是說我們函數(shù)括弧“{}”中定義的變量（但不包括static聲明的變量，static意味著在數(shù)據(jù)段中存放變量）。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時，其參數(shù)也會被壓入發(fā)起調(diào)用的進程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會被存放回棧中。由于棧的先進先出(FIFO)特點，所以棧特別方便用來保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場。從這個意義上講，我們可以把堆棧看成一個寄存、交換臨時數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。

一個程序本質(zhì)上都是由bss段、data段、text段三個組成的。

在C/C++程序編譯完成之后，已初始化的全局變量保存在data 段中，未初始化的全局變量保存在bss 段中。

text和data段都在可執(zhí)行文件中（在嵌入式系統(tǒng)里一般是固化在鏡像文件中），由系統(tǒng)從可執(zhí)行文件中加載；而bss段不在可執(zhí)行文件中，由系統(tǒng)初始化。

2.1 STM32程序占用ROM(FLASH)和RAM的大小分析

為例調(diào)試方便，這里使用一個裸機串口例子，關(guān)于串口的使用請參看筆者博文：

串口通信：https://bruceou.blog.csdn.net/article/details/79341769

使用Keil編譯代碼，編譯信息如下：

Code代表執(zhí)行的代碼，程序中所有的函數(shù)都位于此處。即上述的text段。

RO-data(Read Only)代表只讀數(shù)據(jù)，程序中所定義的全局常量數(shù)據(jù)和字符串都位于此處，如const型。

RW-data(Read Write)代表已初始化的讀寫數(shù)據(jù)，程序中定義并且初始化的全局變量和靜態(tài)變量位于此處。

ZI-data(Zero Initialize)代表未初始化的讀寫數(shù)據(jù)，程序中定義了但沒有初始化的全局變量和靜態(tài)變量位于此處。Keil編譯器默認是把你沒有初始化的變量都賦值為例0。即上述的bss段。

值得注意的是，這些參數(shù)的單位是Byte。

Code和RO-Data兩個段統(tǒng)稱為RO段，它們和RW段，需要燒錄到FLASH等非易失性器件中。

RW段需要燒錄到FLASH中，而ZI段則不用，但在運行時，它們都必須裝載到可讀可寫的RAM中。

因此我們可以計算出FLASH和RAM的大小：

Flash = Code + RO Data + RW Data

RAM = RW-data + ZI-data

2.2 STM32程序的內(nèi)存分配

程序后成功編譯后，通過編譯信息可以查看程序空間分配情況，而map文件更加詳細的描述了程序編譯編譯信息。

map文件是程序的全局符號、源文件和代碼行號信息的唯一的文本表示方法，它可以在任何地方、任何時候使用，不需要有額外的程序進行支持。

在MDK5中，在項目中雙擊Target就能自動打開.map文件。

在xxx.map文件的最后也會有不同數(shù)據(jù)段的信息統(tǒng)計。

我們知道，程序運行需要占用的大小是RAM = RW-data +ZI-data，而堆棧的大小是程序開始運行后才能確定的，堆棧的內(nèi)存占用就是在上面RAM分配給RW-data + ZI-data之后的地址開始分配的。

那么堆和棧到底能占用多大呢，堆棧的大小是在startup_stm32fxxx.s中設(shè)置的，這里以STM32F103ZET6為例進行分析，其內(nèi)部棧的大小為1KB，堆的大小為0.5KB。

startup_stm32fxxx.s文件是系統(tǒng)的啟動文件，主要包括堆和棧的初始化配置、中斷向量表的配置以及將程序引導(dǎo)到main( )函數(shù)等。

startup_stm32fxxx.s主要完成三個工作：棧和堆的初始化、定位中斷向量表、調(diào)用Reset Handler。

避免產(chǎn)生這類錯誤的產(chǎn)生，程序設(shè)計時就應(yīng)該考慮變量大小和堆棧大小是否合適。一個是減少過大的臨時變量和動態(tài)申請內(nèi)存，另一個是在SRAM空間允許的情況下增大堆棧大小，如上圖中棧大小是1024字節(jié)，堆大小是512字節(jié)。

我們知道，堆棧的設(shè)置是在startup_stm32fxxx.s中設(shè)置的，但是startup_stm32fxxx.s文件是只讀的，無法修改，只需要設(shè)置一下該文件的屬性，把只讀取消即可修改。

另外，FLASH和SRAM起始地址在Options中可以查看：

還是在xxx.mp中，我們可以看到SRAM的分配，如下圖所示。

從上圖中可以看出SRAM空間用來存放：1.各個文件中聲明和定義的全局變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)和常量；2.未初始化的全局變量；3.HEAP區(qū)；4.STACK區(qū)。

堆在使用時會從低地址往上加，而棧是從__initial_sp開始往下減。以上圖中的堆棧地址為例，malloc會從0x20000030開始往上加，局部變量的分配會從0x20000230開始往下減。如果入棧元素過大，使得入棧元素的地址訪問到了0x20000260之后的內(nèi)容，就發(fā)生了棧溢出，首先會改變堆中的元素值，如果入棧元素夠大，可能會直接改變HEAP后面的全局變量。同理，當(dāng)動態(tài)申請的內(nèi)存過大時，堆中變量越界到棧中，此時就發(fā)送堆溢出。

【注】棧：向低地址擴展，堆：向高地址擴展。如果依次定義變量，先定義的棧變量的內(nèi)存地址比后定義的棧變量的內(nèi)存地址要大，先定義的堆變量的內(nèi)存地址比后定義的堆變量的內(nèi)存地址要小。

當(dāng)然啦，如果使用J-link調(diào)試程序，也能查看堆棧大小，棧頂指針就是使用SRAM的大小。

【Tips】

1、堆棧的大小在編譯器編譯之后是不知道的，只有運行的時候才知道，所以需要注意一點，就是別造成堆棧溢出了，不然就會發(fā)生hardfault錯誤。

2、所有在處理的函數(shù)，包括函數(shù)嵌套，遞歸，等等，都是從這個“棧”里面，來分配的。所以，如果棧大小為2K，一個函數(shù)的局部變量過多，比如在函數(shù)里面定義一個char buf[512]，這一下就占了1/4的棧大小了，再在其他函數(shù)里面來搞兩下，程序崩潰是很容易的事情，這時候,一般你會進入到hardfault…。

3、 STM32的棧，是向下生長的。事實上，一般CPU的棧增長方向，都是向下的。而堆的生長方向，都是向上的。堆和棧，只是他們各自的起始地址和增長方向不同，他們沒有一個固定的界限，所以一旦堆棧沖突，系統(tǒng)就到了崩潰的時候了。

4、程序中的常量，如果沒加const也會編譯到SRAM里，加了const會被編譯到flash中。

2.3實例代碼分析

前面分析了那么多，下面通過一個實例來驗證前面的分析。

main.c函數(shù)代碼如下：

/********************************************************************************* @file main.c* @author BruceOu* @lib version V3.5.0* @version V1.0* @date 2021-08-06* @blog https://blog.bruceou.cn/* @Official Accounts 嵌入式實驗樓* @brief *******************************************************************************/ /*Includes*********************************************************************/ #include <stdlib.h> #include"./USART1/stm32f103_usart1.h" #include"./LED/stm32f103_led.h"uint8_t staic_buffer[10] ={0};//聲明了一個初始化為0的全局數(shù)組，在靜態(tài)常量區(qū)，0x2000 0000開頭void Delay( u32 xms);/*** @brief mian* @param None* @retval int*/ int main(void) {uint8_tstack_i; //未初始化的局部變量，uint8_tstack_j = 1; //初始化的局部變量uint8_t*pHeap = (uint8_t *)malloc(200);//指針pHeap指向堆區(qū)分配了一個uint8_t類型10大小的空間/*USART1 配置模式為 115200 8-N-1，中斷接收 */USART1_Config();NVIC_Configuration();/*LED 初始化 */LED_GPIO_Config(); printf("全局變量 staic_buffer 的首地址：0x%x\r\n", staic_buffer);printf("未初始化的局部變量 stack_i 的地址：0x%x\r\n", &stack_i);printf("初始化的局部變量 stack_j 的地址：0x%x\r\n", &stack_j);printf("pHeap在堆區(qū)首地址：0x%x\r\n", pHeap);free(pHeap);while(1){LED1(ON ); // 亮Delay(0xfFfff);LED1(OFF ); // 滅LED2(ON ); // 亮Delay(0xfFfff);LED2(OFF ); // 滅LED3(ON ); // 亮Delay(0xffFff);LED3(OFF ); // 滅} }/*** @brief 延時函數(shù)* @param xms 延時長度* @retval None*/ void Delay( u32 xms) {//for(;nCount != 0; nCount--);（方法一）while(xms--);//（方法二） }/*********************************ENDOF FILE******************************/

編譯后map文件中內(nèi)存分配如下：

運行程序，打印信息如下：

data是初始化的全局變量，在.data區(qū)；buffer是未初始化的全局變量，在.bss區(qū)；pHeap是通過malloc分配的空間，在堆區(qū)；局部變量都在棧區(qū)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解STM32内存管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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