单片机必备知识1——单片机的内存RAM和FLASH的理解

1. 存储器理解

       存储器是计算机结构的重要组成部分，存储器是用来存储程序代码和数据的部件，有了存储器计算机才具有记忆功能。按照存储介质的特性，可以分“易失性存储器”和“非易失性存储器”两类，易失和非易失是指存储器断电后，里面存储的内容是否会丢失，另一边的速度而言呢，易失性存储器的速度要快于非易失性存储器。

1.1 易失性存储器

        按照RAM的物理存储机制，可以分为DRAM（Dynamic）和SRAM（Static）两类。首先，说一下目前所用的DRAM，其通讯时序是利用时钟进行同步通讯，所以起名为Synchronous DRAM，那么，后期为了进一步提高SDRAM的通讯速度，人们设计了DDR SDRAM存储器(Double Data Rate SDRAM)，随后又发展出二、三、四代SDRAM，现在很多PC机上的内存条是DDRIII SDRAM存储器。另外，静态随机存储器SRAM的存储单元以锁存器来存储数据，结构比DRAM要复杂很多，所以生产相同容量的存储器，DRAM的成本要更低，且集成度更高。

特性	DRAM	SRAM
速度	较慢	较快
集成度	较高	较低
成本	较低	较高

备注：RAM的具体存储机制和SDRAM的设计，可以看一下维基/百度百科。

1.2 非易失性存储器

        半导体类的非易失性存储器有ROM和FLASH，感觉现在ROM使用的比较少了，貌似很多都被flash代替了。之前学单片机的时候，用的外接EEPROM算是一种ROM，不作过多介绍。FLASH的容量一般比EEPROM大得多，且在擦除时，一般以多个字节为单位。如有的FLASH存储器以4096个字节为扇区或者页（page）有的flash是以512个字节为扇区或者页，最小的擦除单位为一个扇区/页，至于叫做扇区还是叫做页看你使用的flash的手册。根据存储单元电路的不同，FLASH存储器又分为NOR FLASH和NAND FLASH。

特性	NOR FLASH	NAND FLASH
同容量存储器成本	较贵	较便宜
集成度	较低	较高
介质类型	随机存储	连续存储
地址线和数据线	独立分开	共用
擦除单元	以“扇区/页”擦除	以“扇区/页”擦除
读写单元	可以基于字节读写	必须以“块”为单位读写
读取速度	较高	较低
写入速度	较低	较高

NOR与NAND的共性是在数据写入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以“扇区/页”为单位，而NOR与NAND特性的差别，主要是其内部“地址/数据线”是否分开导致的。

• 由于NOR的地址线和数据线分开，它可以按“字节”读写数据，符合CPU的指令译码执行要求，所以假如NOR上存储了代码指令，CPU给NOR一个地址，NOR就能向CPU返回一个数据让CPU执行，中间不需要额外的处理操作。所以，在功能上可以认为NOR是一种断电后数据不丢失的RAM，但它的擦除单位与RAM有区别，且读写速度比RAM要慢得多。
• 由于NAND的数据和地址线共用，只能按“块”来读写数据，假如NAND上存储了代码指令，CPU给NAND地址后，它无法直接返回该地址的数据，所以不符合指令译码要求。若代码存储在NAND上，可以把它先加载到RAM存储器上，再由CPU执行。

综上所示，基于成本和速度的因素，目前的单片机系统内，通常采样Flash存储数据，Ram中执行数据。

1.3 Nordic的存储器

        如下图所示NRF52832使用的存储器RAM是64KB，Flash为512KB，这里的RAM是SRAM（P24 Figure5），而我认为Flash是Nor Flash（为什么如此认为呢？是因为，我可以以字节为单位去读写内部flash，擦的时候还是以页为单位）。

1.3.1 内存映射

        阐述完FLASH和SRAM的物理模型，那程序是怎么在这些存储器中运行的呢？Flash，SRAM寄存器和输入输出端口被组织在同一个4GB的线性地址空间内，可访问的存储器空间被分成8个主要块，每个块为512MB。存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射，如果给存储器再分配一个地址就叫存储器重映射。NRF52832的内存映射如下图所示，

从图上可以看到，尽管给我们分配了这个大的地址空间，有很多我们用不完，所以芯片厂商只用了其中的一部分而已，我们最关心的有三个块，Block0用来设计成内部FLASH，Block1用来设计成内部RAM，Block2用来设计成片上的外设。

         在nordic芯片中FLASH存储编译后下载的程序，SRAM是存储在程序运行中的临时创建数据（ARMv7，哈弗结构），故只要你不外扩存储器，写完的程序中只要在芯片上运行起来，所有数据也就会出现在这两个存储器中。我在想那在Flsah或者Ram内部是不是又会根据不同的功能把他们分为多个模块呢？答案是肯定的。

程序文件是编译链接后生成的可执行文件，比如.bin文件，会进行分区，如下图所示，

 

1. CODE：代码区，指程序中代码即函数体的大小，注意程序中未使用的函数也会算在CODE中，也即会占用FLASH空间，因此不用的函数最好删除掉，以免占用过多FLASH空间；
2. RO-DATA：RO就是只读的意思，程序中只读的变量（也就是带Const的）和已初始化的字符串等；
3. RW-DATA：特指已初始化的可读可写全局/静态变量；
4. ZI-DATA：未初始化的可读可写全局/静态变量，注意初始化为0也算做未初始化，堆和栈也会被算入这里面；（如果你不相信栈区属于ZI-DATA，可以做一个实验，很简单，在启动文件中，将栈区大小size增加10个字节，其他代码都不动，然后编译一下，会发现ZI-DATA也增加了10个字节）

        BIN文件大小 = CODE+RO-DATA+RW-DATA = 程序大小 = 程序占用的FLASH空间，为什么ZI-DATA不算？因为对于未初始化的变量BIN文件里面只需要两句话描述一下就可以了，大概就是记录下ZI-DATA的大小就好，程序运行时直接在RAM中开辟一个相应大小的空间。这里，不禁要问编译后的局部变量存放在什么区？上面局部变量属于栈空间，处理局部变量的方式和zi-data是一样的，在调用的函数中描述一下就好了。

        RW-DATA+ZI-DATA = 程序所有变量的大小 （包括全局变量和局部变量，如果还不理解，可以看分散加载文件.sct文件）

在网上看到一张图，感觉很有意思。这张图是STM32程序下载到Flash上的存储结构。

一定要区分上电前和上电后程序的不同状态（rw-data上电前会存在flash，上电后会搬运到sram）。

参考网址：https://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/3719529.html

其中，ZI-DATA对应了BSS段（未初始化数据段），RW-DATA对应数据段（初始化数据段），CODE对应代码段，RO-DATA对应数据段（通过观察.map文件对这段话有些质疑，没搞清楚，待核实）。

 

      了解了以上基本知识，接下来就是要搞清楚程序上电是怎么启动运行的，或者说启动文件进行了什么操作、作用。