一文解析STM32內(nèi)存管理和堆棧的認(rèn)知與理解

本文主要介紹了STM32內(nèi)存管理和堆棧的認(rèn)知與理解，首先介紹的是內(nèi)存管理的實(shí)現(xiàn)原理及分配、釋放原理，其次介紹了stm32的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，最后闡述了堆棧的認(rèn)知與理解，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下吧。

STM32內(nèi)存管理詳解

內(nèi)存管理，是指軟件運(yùn)行時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源的分配和使用的技術(shù)。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放和回收內(nèi)存資源。內(nèi)存管理的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，他們其實(shí)最終都是要實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)函數(shù)： malloc 和 free； malloc 函數(shù)用于內(nèi)存申請(qǐng)， free 函數(shù)用于內(nèi)存釋放。

內(nèi)存管理的實(shí)現(xiàn)原理

從上圖可以看出，分塊式內(nèi)存管理由內(nèi)存池和內(nèi)存管理表兩部分組成。內(nèi)存池被等分為 n塊，對(duì)應(yīng)的內(nèi)存管理表，大小也為 n，內(nèi)存管理表的每一個(gè)項(xiàng)對(duì)應(yīng)內(nèi)存池的一塊內(nèi)存。內(nèi)存管理表的項(xiàng)值代表的意義為：當(dāng)該項(xiàng)值為 0 的時(shí)候，代表對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊未被占用，當(dāng)該項(xiàng)值非零的時(shí)候，代表該項(xiàng)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊已經(jīng)被占用，其數(shù)值則代表被連續(xù)占用的內(nèi)存塊數(shù)。比如某項(xiàng)值為 10，那么說(shuō)明包括本項(xiàng)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊在內(nèi)，總共分配了 10 個(gè)內(nèi)存塊給外部的某個(gè)指針。內(nèi)寸分配方向如圖所示，是從頂?底的分配方向。（即從高位地址到低位地址）即首先從最末端開(kāi)始找空內(nèi)存。當(dāng)內(nèi)存管理剛初始化的時(shí)候，內(nèi)存表全部清零，表示沒(méi)有任何內(nèi)存塊被占用。

分配原理

當(dāng)指針 p 調(diào)用 malloc 申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，先判斷 p 要分配的內(nèi)存塊數(shù)（ m），然后從第 n 項(xiàng)開(kāi)始，向下查找，直到找到 m 塊連續(xù)的空內(nèi)存塊（即對(duì)應(yīng)內(nèi)存管理表項(xiàng)為 0），然后將這 m 個(gè)內(nèi)存管理表項(xiàng)的值都設(shè)置為 m（標(biāo)記被占用），最后，把最后的這個(gè)空內(nèi)存塊的地址返回指針 p，完成一次分配。注意，如果當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候（找到最后也沒(méi)找到連續(xù)的 m 塊空閑內(nèi)存），則返回 NULL 給 p，表示分配失敗。

釋放原理

當(dāng) p 申請(qǐng)的內(nèi)存用完，需要釋放的時(shí)候，調(diào)用 free 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。 free 函數(shù)先判斷 p 指向的內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊，然后找到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存管理表項(xiàng)目，得到 p 所占用的內(nèi)存塊數(shù)目 m（內(nèi)存管理表項(xiàng)目的值就是所分配內(nèi)存塊的數(shù)目），將這 m 個(gè)內(nèi)存管理表項(xiàng)目的值都清零，標(biāo)記釋放，完成一次內(nèi)存釋放。

stm32的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

?Flash，SRAM寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個(gè)4GB的線性地址空間內(nèi)。可訪問(wèn)的存儲(chǔ)器空間被分成8個(gè)主要塊，每個(gè)塊為512MB。

FLASH存儲(chǔ)下載的程序。

SRAM是存儲(chǔ)運(yùn)行程序中的數(shù)據(jù)。

所以，只要你不外擴(kuò)存儲(chǔ)器，寫(xiě)完的程序中的所有東西也就會(huì)出現(xiàn)在這兩個(gè)存儲(chǔ)器中。

堆棧的認(rèn)知與理解

1、STM32中的堆棧

這個(gè)我產(chǎn)生過(guò)混淆，導(dǎo)致了很多邏輯上的混亂。首先要說(shuō)明的是單片機(jī)是一種集成電路芯片，集成CPU、RAM、ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能。CPU中包括了各種總線電路，計(jì)算電路，邏輯電路，還有各種寄存器。Stm32有通用寄存器R0‐R15 以及一些特殊功能寄存器，其中包括了堆棧指針寄存器。當(dāng)stm32正常運(yùn)行程序的時(shí)候，來(lái)了一個(gè)中斷，CPU就需要將寄存器中的值壓棧到RAM里，然后將數(shù)據(jù)所在的地址存放在堆棧寄存器中。等中斷處理完成退出時(shí)，再將數(shù)據(jù)出棧到之前的寄存器中，這個(gè)在C語(yǔ)言里是自動(dòng)完成的。

2、編程中的堆棧

在編程中很多時(shí)候會(huì)提到堆棧這個(gè)東西，準(zhǔn)確的說(shuō)這個(gè)就是RAM中的一個(gè)區(qū)域。我們先來(lái)了解幾個(gè)說(shuō)明：

（1） 程序中的所有內(nèi)容最終只會(huì)出現(xiàn)在flash，ram里（不外擴(kuò)）。

（2） 段的劃分，是將類似數(shù)據(jù)種類存儲(chǔ)在一個(gè)區(qū)域里，方便管理，但正如上面所說(shuō)，不管什么段的數(shù)據(jù)，都是最終在flash和ram里面。

C語(yǔ)言上分為棧、堆、bss、data、code段。具體每個(gè)段具體是存儲(chǔ)什么數(shù)據(jù)的，直接百度吧。重點(diǎn)分析一下STM32以及在MDK里面段的劃分。

MDK下Code，RO-data，RW-data，ZI-data這幾個(gè)段：

Code是存儲(chǔ)程序代碼的。

?RO-data是存儲(chǔ)const常量和指令。

?RW-data是存儲(chǔ)初始化值不為0的全局變量。

?ZI-data是存儲(chǔ)未初始化的全局變量或初始化值為0的全局變量。

Flash=Code + RO Data + RW Data;

RAM= RW-data+ZI-data;

這個(gè)是MDK編譯之后能夠得到的每個(gè)段的大小，也就能得到占用相應(yīng)的FLASH和RAM的大小，但是還有兩個(gè)數(shù)據(jù)段也會(huì)占用RAM，但是是在程序運(yùn)行的時(shí)候，才會(huì)占用，那就是堆和棧。在stm32的啟動(dòng)文件.s文件里面，就有堆棧的設(shè)置，其實(shí)這個(gè)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(kāi)始分配的。

堆：是編譯器調(diào)用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的內(nèi)存區(qū)域。

棧：是程序運(yùn)行的時(shí)候局部變量的地方，所以局部變量用數(shù)組太大了都有可能造成棧溢出。

堆棧的大小在編譯器編譯之后是不知道的，只有運(yùn)行的時(shí)候才知道，所以需要注意一點(diǎn)，就是別造成堆棧溢出了。不然就等著hardfault找你吧。

3、OS中的堆棧及其內(nèi)存管理。

嵌入式系統(tǒng)的堆棧，不管是用什么方法來(lái)得到內(nèi)存，感覺(jué)他的方式都和編程中的堆差不多。目前我知道兩種獲得內(nèi)存情況：

（1）用龐大的全局變量數(shù)組來(lái)圈住一塊內(nèi)存，然后將這個(gè)內(nèi)存拿來(lái)進(jìn)行內(nèi)存管理和分配。這種情況下，堆棧占用的內(nèi)存就是上面說(shuō)的：如果沒(méi)有初始化數(shù)組，或者數(shù)組的初始化值為0，堆棧就是占用的RAM的ZI-data部分；如果數(shù)組初始化值不為0，堆棧就占用的RAM的RW-data部分。這種方式的好處是容易從邏輯上知道數(shù)據(jù)的來(lái)由和去向。

（2）?就是把編譯器沒(méi)有用掉的RAM部分拿來(lái)做內(nèi)存分配，也就是除掉RW-data+ZI-data+編譯器堆+編譯器棧后剩下的RAM內(nèi)存中的一部分或者全部進(jìn)行內(nèi)存管理和分配。這樣的情況下就只需要知道內(nèi)存剩下部分的首地址和內(nèi)存的尾地址，然后要用多少內(nèi)存，就用首地址開(kāi)始挖，做一個(gè)鏈表，把內(nèi)存獲取和釋放相關(guān)信息鏈接起來(lái)，就能及時(shí)的對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理了。內(nèi)存管理的算法多種多樣，不詳說(shuō)，這樣的情況下：OS的內(nèi)存分配和自身局部變量或者全局變量不沖突，之前我就在這上面糾結(jié)了很久，以為函數(shù)里面的變量也是從系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存中得來(lái)的。這種方式感覺(jué)更加能夠明白自己地址的開(kāi)始和結(jié)束。

這兩種方法我感覺(jué)沒(méi)有誰(shuí)更高明，因?yàn)橹皇且粋€(gè)內(nèi)存的獲取方式，高明的在于內(nèi)存的管理和分配。?