MDK的编程过程和变量存储位置

1 参考书籍《零死角玩转STM32-F429》

2 编程过程

  首先我们简单了解下 MDK 的编译过程，它与其它编译器的工作过程是类似的，该过程见图 51-1。

  (1) 编译， MDK 软件使用的编译器是 armcc 和 armasm，它们根据每个 c/c++和汇编源文件编译成对应的以“.o”为后缀名的对象文件(Object Code，也称目标文件)，其内容主要是从源文件编译得到的机器码，包含了代码、数据以及调试使用的信息；

(2) 链接，链接器 armlink 把各个.o 文件及库文件链接成一个映像文件“.axf”或“.elf”：

(3) 格式转换，一般来说 Windows 或 Linux 系统使用链接器直接生成可执行映像文件 elf后，内核根据该文件的信息加载后，就可以运行程序了，但在单片机平台上，需要把该文件的内容加载到芯片上，所以还需要对链接器生成的 elf 映像文件利用格式转换器fromelf 转换成“.bin”或“.hex”文件，交给下载器下载到芯片的 FLASH 或 ROM 中

3 程序的组成，存储和运行

  根据每一个程序的编译提示，如下图

  在工程的编译提示输出信息中有一个语句“Program Size： Code=xx RO-data=xx RWdata=xx ZI-data=xx”，它说明了程序各个域的大小，编译后，应用程序中所有具有同一性质的数据(包括代码)被归到一个域，程序在存储或运行的时候，不同的域会呈现不同的状态，这些域的意义如下：

Code：即代码域，它指的是编译器生成的机器指令，这些内容被存储到 ROM 区。

RO-data： Read Only data，即只读数据域，它指程序中用到的只读数据，这些数据被存储在 ROM 区，因而程序不能修改其内容。例如 C 语言中 const 关键字定义的变量就是典型的 RO-data。

RW-data： Read Write data，即可读写数据域，它指初始化为“非 0 值”的可读写数据，程序刚运行时，这些数据具有非 0 的初始值，且运行的时候它们会常驻在RAM 区，因而应用程序可以修改其内容。例如 C 语言中使用定义的全局变量，且定义时赋予“非 0 值”给该变量进行初始化。

ZI-data： Zero Initialie data，即 0 初始化数据，它指初始化为“0 值”的可读写数据域，它与 RW-data 的区别是程序刚运行时这些数据初始值全都为 0，而后续运行过程与 RW-data 的性质一样，它们也常驻在 RAM 区，因而应用程序可以更改其内容。例如 C 语言中使用定义的全局变量，且定义时赋予“0 值”给该变量进行初始化(若定义该变量时没有赋予初始值，编译器会把它当 ZI-data 来对待，初始化为 0)；

ZI-data 的栈空间(Stack)及堆空间(Heap)：在 C 语言中，函数内部定义的局部变量属于栈空间，进入函数的时候从向栈空间申请内存给局部变量，退出时释放局部变量，归还内存空间。而使用 malloc 动态分配的变量属于堆空间。在程序中的栈空间和堆空间都是属于 ZI-data 区域的，这些空间都会被初始值化为 0 值。编译器给出的 ZI-data 占用的空间值中包含了堆栈的大小(经实际测试，若程序中完全没有使用 malloc 动态申请堆空间，编译器会优化，不把堆空间计算在内)。

  程序组件所属的区域

机器代码指令	Code
常量	RO-data
初值非0的全局变量	RW-datra
初值为0的全局变量	ZI-data
局部变量	ZI-data栈空间
使用malloc动态分配的空间	ZI-data堆空间

  4 程序的存储与运行

  RW-data 和 ZI-data 它们仅仅是初始值不一样而已，为什么编译器非要把它们区分开？这就涉及到程序的存储状态了，应用程序具有静止状态和运行状态。静止态的程序被存储在非易失存储器中，如 STM32 的内部 FLASH，因而系统掉电后也能正常保存。但是当程序在运行状态的时候，程序常常需要修改一些暂存数据，由于运行速度的要求，这些数据往往存放在内存中(RAM)，掉电后这些数据会丢失。因此，程序在静止与运行的时候它在存储器中的表现是不一样的。

  图中的左侧是应用程序的存储状态，右侧是运行状态，而上方是 RAM 存储器区域，下方是 ROM 存储器区域。程序在存储状态时， RO 节(RO section)及 RW 节都被保存在 ROM 区。当程序开始运行时，内核直接从 ROM 中读取代码，并且在执行主体代码前，会先执行一段加载代码，它把 RW 节数据从 ROM 复制到 RAM， 并且在 RAM 加入 ZI 节， ZI 节的数据都被初始化为
0。加载完后 RAM 区准备完毕，正式开始执行主体程序。编译生成的 RW-data 的数据属于图中的 RW 节， ZI-data 的数据属于图中的 ZI 节。是否需要掉电保存，这就是把 RW-data 与 ZI-data 区别开来的原因，因为在 RAM 创建数据的时候，默认值为 0，但如果有的数据要求初值非 0，那就需要使用 ROM 记录该初始值，运行时再复制到 RAM。
  STM32 的 RO 区域不需要加载到 SRAM，内核直接从 FLASH 读取指令运行。计算机系统的应用程序运行过程很类似，不过计算机系统的程序在存储状态时位于硬盘，执行的时候甚至会把上述的 RO 区域(代码、只读数据)加载到内存，加快运行速度，还有虚拟内存管理单元(MMU)辅助加载数据，使得可以运行比物理内存还大的应用程序。而 STM32 没有 MMU，所以无法支持 Linux 和 Windows 系统。
  当程序存储到 STM32 芯片的内部 FLASH 时(即 ROM 区)，它占用的空间是 Code、RO-data 及 RW-data 的总和，所以如果这些内容比 STM32 芯片的 FLASH 空间大，程序就无法被正常保存了。当程序在执行的时候，需要占用内部 SRAM 空间(即 RAM 区)，占用的空间包括 RW-data 和 ZI-data。应用程序在各个状态时各区域的组成见表 。

  在 MDK 中，我们建立的工程一般会选择芯片型号，选择后就有确定的 FLASH 及SRAM 大小，若代码超出了芯片的存储器的极限，编译器会提示错误，这时就需要裁剪程序了，裁剪时可针对超出的区域来优化。

5 后记

  STM32F1系列因为没有MMU,所以不能跑操作系统。但是比如三星的S3C64310,在其数据手册上可以看到这么一句话：It also includes a full MMU to handle virtual memory management. 这说明S3C6410是具备MMU的，可以管理虚拟内存。