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stm32-- 存储-flash和ram

article 2025/3/7 4:31:18

本文中的程序都是伪代码，没经过验证使用。

keil编译完成，会得到一个.map文件，详细列出空间占用情况。

示例如下：

==============================================================================

Total RO Size (Code + RO Data) 39888 ( 38.95kB)
Total RW Size (RW Data + ZI Data) 3456 ( 3.38kB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data) 40108 ( 39.17kB)

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RW Data 和 ZI Data 是嵌入式系统中存储全局变量和静态变量的两种主要内存区域，它们分布在 RAM 中，但初始化方式和功能不同。

1. RW Data (Read-Write Data)

概念

RW Data 是 .data 段的另一种叫法，用于存储有初始值的全局变量和静态变量。

存储位置

初始值：存储在 Flash 中（程序的非易失性存储器）。
运行时值：存储在 RAM 中。

特点

程序启动时，初始值从 Flash 复制到 RAM。
RAM 中的值可以被读写和修改。

示例

int global_var = 10;        // 有初始值，存储在 RW Data
static int static_var = 20; // 有初始值，存储在 RW Data

2. ZI Data (Zero-Initialized Data)

概念

ZI Data 是 .bss 段的另一种叫法，用于存储未初始化或显式初始化为零的全局变量和静态变量。

存储位置

初始值：不存在于 Flash（因为它们是未初始化的）。
运行时值：启动时，RAM 中这些变量的值被清零。

特点

不占用 Flash 空间（没有初始值）。
在程序启动时，启动代码负责将 RAM 中的区域清零。

示例

int global_var;             // 未初始化，存储在 ZI Data
static int static_var = 0;  // 显式初始化为零，存储在 ZI Data

3. RW Data + ZI Data

总和的意义

RW Data + ZI Data 表示整个程序运行时所需的 RAM 空间，用来存储全局变量和静态变量。这是嵌入式开发中一个非常重要的指标。

计算公式

RAM 使用量 = RW Data 大小 + ZI Data 大小 + 堆大小 + 栈大小

4. 如何查看 RW Data 和 ZI Data 大小

方法 1：查看编译输出

编译器通常会在编译日志或 Map 文件中显示 RW Data 和 ZI Data 的大小。例如，在 STM32CubeIDE 中：

Memory region         Used Size  Region Size
RAM                   1024 B     2048 B
  RW Data:            128 B
  ZI Data:            256 B

方法 2：通过 Map 文件

查看编译生成的 .map 文件：

.data          0x20000000    0x80  // RW Data，占用 128 字节
.bss           0x20000080    0x100 // ZI Data，占用 256 字节

方法 3：通过运行时计算

在代码中使用链接器定义的符号来计算：

extern uint32_t _sdata, _edata; // RW Data
extern uint32_t _sbss, _ebss;   // ZI Data

void check_memory_usage(void) {
    uint32_t rw_size = (uint32_t)&_edata - (uint32_t)&_sdata;
    uint32_t zi_size = (uint32_t)&_ebss - (uint32_t)&_sbss;

    printf("RW Data size: %lu bytes\n", rw_size);
    printf("ZI Data size: %lu bytes\n", zi_size);
}

5. 优化 RAM 使用

优化 RW Data

减少初始化较大的全局变量。
考虑是否可以动态分配内存，而非在编译时分配。

优化 ZI Data

尽量避免声明未初始化的大数组。
使用局部变量代替生命周期较短的全局或静态变量。

6. 总结

类型	RW Data (`.data`)	ZI Data (`.bss`)
存储位置	Flash（初始值）+ RAM（运行时值）	RAM
初始化	从 Flash 复制初始值到 RAM	启动时在 RAM 中清零
变量类型	有初始值的全局和静态变量	未初始化或初始化为零的全局变量

通过合理优化 RW Data 和 ZI Data，可以有效减少 RAM 的占用，提高嵌入式系统的运行效率。

堆栈使用的空间：

在 STM32 等嵌入式系统中，堆（Heap）和栈（Stack）都位于 RAM 中，但它们的分配方式和用途有所不同。以下是详细解释：

1. 堆和栈的定义

堆 (Heap)

用途：用于动态内存分配，例如 malloc() 和 free() 函数。
特点：
- 堆空间在程序运行时动态分配和释放。
- 堆的增长方向通常是从 低地址 向 高地址 增长。
- 如果动态分配不当，可能会导致 内存泄漏 或 堆溢出。

栈 (Stack)

用途：存储函数调用的局部变量、函数返回地址、中断上下文等。
特点：
- 栈是 LIFO（Last In, First Out）结构。
- 栈的增长方向通常是从 高地址 向 低地址 增长。
- 如果栈过深，可能会导致 栈溢出。

2. 堆和栈在内存中的位置

在 STM32 的 RAM 中，堆和栈的位置通常是通过 链接脚本（Linker Script）指定的。以下是一个常见的内存布局：

+--------------------+ <--- RAM 起始地址（低地址）
|     RW Data        | (全局和静态变量)
+--------------------+
|     ZI Data        | (未初始化的全局变量)
+--------------------+
|     Heap           | (动态分配内存)
+--------------------+
|     Free Space     | (未使用的 RAM)
+--------------------+
|     Stack          | (函数调用栈)
+--------------------+ <--- RAM 结束地址（高地址）

堆从低地址向高地址增长。
栈从高地址向低地址增长。
如果堆和栈使用过多，可能会在 RAM 中相遇，导致 堆栈冲突。

3. 如何设置堆和栈的大小

在链接脚本中设置

堆和栈的大小通常在链接脚本中指定。例如：

_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);  /* 栈顶 */
_Heap_Limit = _estack - 0x800;        /* 栈大小 2KB */
_Stack_Limit = _Heap_Limit - 0x400;   /* 堆大小 1KB */

通过 CMSIS 配置

在 CMSIS 文件（如 startup_stm32.s 或 system_stm32.c）中，常见的定义方式如下：

Stack_Size      EQU     0x00000400   ; 栈大小 (1KB)
Heap_Size       EQU     0x00000800   ; 堆大小 (2KB)

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size

                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size

4. 查看堆栈的使用情况

栈的实际使用

栈的使用可以通过运行时检测。通常在启动代码中，栈区域会被填充为一个固定值（如 0xDEADBEEF），运行时检查剩余的栈空间即可：

extern uint32_t _estack;  // 栈顶地址
extern uint32_t _sstack;  // 栈底地址

void check_stack_usage(void) {
    uint32_t *stack_ptr = (uint32_t *)&_sstack;
    while (*stack_ptr == 0xDEADBEEF) {
        stack_ptr++;
    }
    uint32_t used_stack = (uint32_t)&_estack - (uint32_t)stack_ptr;
    printf("Used stack: %lu bytes\n", used_stack);
}

堆的实际使用

堆的使用可以通过记录 malloc() 和 free() 的分配情况来估算：

#include <malloc.h>

void check_heap_usage(void) {
    struct mallinfo mi = mallinfo();
    printf("Heap used: %d bytes\n", mi.uordblks);  // 已分配的堆内存
    printf("Heap free: %d bytes\n", mi.fordblks);  // 剩余堆内存
}