stm32内存架构及堆栈管理
stm32内存架构及管理
计算机的内存管理
学习stm32内存管理的时候有些云里雾里，网上也看了很多博客文档，但是大都没有很系统的去讲解stm32的内存架构。所以决定自己来做一个关于stm32内存架构的分析和自己的理解。
在讨论单片机内存管理之前，我想先说一下关于计算机的内存是如何管理的。根据《C++ Primer Plus（第6版）》这本书中所讲，C++（就内存管理方式而言类似C）有3种管理数据内存的方式：
①、自动存储：
1. 函数内部定义的常规常量使用自动存储空间，该变量称为自动变量 （局部变量）。
2.调用函数时产生（进栈），函数结束时消亡（出栈）。后进先出(LIFO)。因此在一个函数块中，该区域将不断的
增大或者减小。
3.该区域我们一般称为栈区。
②、静态存储：
1. 静态存储是一种整个程序执行期间都存在的存储方式。
2.定义该变量的方式有两种：在函数外面定义它/在声明变量时使用关键字：static。
③、动态存储：
1. new（malloc）和delete（free）运算符（函数）提供了一种比自动变量和静态变量更加灵活的方法。
2.它们管理了一个内存池，这在C++中被称为自由存储空间或堆（heap）。
3.这种存储方式独立于另外两种，可以由程序员决定变量的产生和消亡。
我们大可以把这三个区域理解成stm32的SRAM存储区。
stm32的内存架构
stm32是32位单片机，可用寻址空间高达4GB。当然我们只用到了其中很小的一部分，以stm32f407为例，其内部Flash（ROM）大小为1M字节，SRAM大小为192Kb字节。
我们平时说的内存管理管理的便是SRAM中的动态存储区（堆）。而4GB寻址空间对应到stm32可由下图表示（出处见水印）：
由图可由清楚的看到Cortex-M3与stm32之间的关系，虽然我们stm32f407是基于Cortex-M4架构，但也可以通过这个图看出来4GB寻址空间和STM32之间的关系。我们的程序和常量是存储在Flash中的，调试模式下也可以看出PC指针始终在0X0800 0000后面的Flash区域，变量则存储在了SRAM中，SRAM的首地址为0X2000 0000。我做了一个架构图帮助大家更好地理解stm32的存储架构：
其中内存地址是按照stm32f407去定义的，我们选择主芯片的时候除了看其所带外设ADC/TIM/DAC/FSMC等，还要看Flash和SRAM的大小够不够我们的项目使用。
如果我们的编译器是Keil（当然大多人都用这个）的话，会把这些存储区在细分为各个段区，比如我们随便用一个led工程编译一下：
Flash = Code（程序代码） + RO - data（存储const常量和指令） + RW - data（初始值不为0的全局/静态变量）
SRAM = RW - data（程序运行后从Flash读入） + ZI - data（初始值为0或未初始化的全局/静态变量）
Ps：SRAM在编译时并不会把所有变量申请的内存显示完，因为SRAM是一个动态的存储的过程，所以不能看到SRAM大小满足板载SRAM大小，就认为程序满足硬件要求！当然涉及堆栈存储更为复杂，内存泄漏，内存叠加等等，这个比较重要所以我们后面单独说一下。
SRAM的内部结构
其实就我们平时写写程序就只需要知道有这么一个大小的SRAM给我们用就好了，但是如果基于操作系统OS的话，还是要更加细分SRAM区域，合理利用每一个区域去完成我们的项目，最大限度的利用单片机资源，这里我们放一张数据手册中的矩阵图：
我们可以看到192Kb的SRAM其实分为3部分，SRAM1，SRAM2，和64Kb的CCMRAM。查看数据手册的关于SRAM的介绍：
Seven slaves:
– Internal Flash memory ICode bus
– Internal Flash memory DCode bus
– Main internal SRAM1 (112 KB)
– Auxiliary internal SRAM2 (16 KB)
– AHB1 peripherals including AHB to APB bridges and APB peripherals
– AHB2 peripherals
– FSMC
我们可以看到SRAM1是主要的存储区，主要存放一些程序运行时产生的变量，SRAM2辅助内部存储区，主要作用于与外设数据有关的变量。而CCMRAM则比较特殊，stm32f1里没有这个东西，从矩阵图中也可以看出这个区域通过D总线直接和CPU相连，这意味着，CPU能以最大的系统时钟和最小的等待时间从CCM中读取数据或者代码。对于要求速度，精度高的项目我们可以尝试将变量定义在这个区域里面。定义的方法网上大概分为两种：
嫌麻烦的话就 u32 ccmTextNum attribute((at(0x10000000)))用at去定位到这个区域里面，还有一种方法分散加载文件(.sct)，更为强大一些，感兴趣的可以自己去尝试一下。再Ps：CCMRAM没有与一些外设如DMA相连，说明这个区域的变量不可以通过DMA传输!
程序验证堆栈区地址及内存覆盖
说了这么多，现在大家对stm32内存架构可能会有更清晰的了解，我们现在动手验证一下我们所说的是否准确，首先我们先测试堆和栈的地址范围及容量大小（程序基于正点原子探索者）：
仅验证堆栈首地址及其大小
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "stdlib.h"
//为了方便起见，STACK区（栈）我们用SRAM1来表示，HEAP区（堆）我们用SRAM2来表示，静态常量区我们用SRAM3来表示。
u8 SRAM3_Buffer[100]={0};//声明了一个初始化为0的全局数组，在静态常量区，0x2000 0000开头
int main(void)
{
u8 SRAM1_i,SRAM1_j = 1,m;//i为普通的未初始化局部变量,j作为初始化的局部变量,测试可得均存在于栈区
u8* pSRAM2 = (u8*)malloc(200);//指针pSRAM2指向堆区分配了一个u8类型200大小的数组的首地址，测试可得存在于堆区
u8 SRAM1_Buffer[100] = {0};//声明了一个局部数组，存在于静态常量区。
delay_init(168); //初始化延时函数
LED_Init(); //初始化LED端口
uart_init(115200);
for(m = 0;m < 100;m++)
{
SRAM3_Buffer[m] = m;
}
printf("未初始化局部变量SRAM1_i在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_i);
printf("初始化的局部变量SRAM1_j在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_j);
printf("初始化局部数组SRAM1_Buffer在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_Buffer);
printf("调用malloc声明了一个在堆区的数组首地址为：0x%x\r\n",pSRAM2);
//printf("静态常量区的数组的地址为：0x%x\r\n",SRAM3_Buffer);
// printf("静态常量区的数组值为：\r\n");
// for(m = 0;m < 100;m++)
// {
// printf("%d ",SRAM3_Buffer[m]);
// }
while(1)
{
delay_ms(500);
LED1 = ~LED1;
}
}
通过串口调试助手我们可以看到我们声明的变量的具体地址：
可以看出前三个局部变量是在同一个区域，后一个动态变量在另一个区域，而这两个区域，就是我们平时说的堆栈区。堆栈区的大小我们可以从启动文件里得到：
从启动文件我们可以得到栈区大小为0x0000 0400(1Kb),堆区的大小为：0x0000 0200（512字节）。这里我们再放一张图，可以清楚的看到堆栈区与静态常量区的关系（出处见水印（我也看不清。。））：
这里大家可能会发现我们申请的位于栈区的局部变量首地址，是位于栈顶的0x2000 06f0开始的，而位于堆区的动态变量首地址是从堆底0x200000f0开始的。这就涉及堆栈对于数据处理方式的不同，前面的文章也讲了，栈是后进先出，所以栈变量（局部变量）是从栈顶向下分配地址，而堆则相反，是先进后出，所以从堆底向上分配地址。那么有没有一种可能，栈变量我们申请的比较大，那么它就会一直向下申请内存，直到污染了HEAP和静态存储区，这就是比较可怕的内存叠加，我们在软件里模拟一下这个事件：
加上全局数组后的程序
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "stdlib.h"
//为了方便起见，STACK区（栈）我们用SRAM1来表示，HEAP区（堆）我们用SRAM2来表示，静态常量区我们用SRAM3来表示。
u8 SRAM3_Buffer[100]={0};//声明了一个初始化为0的全局数组，在静态常量区，0x2000 0000开头
int main(void)
{
u8 SRAM1_i,SRAM1_j = 1,m;//i为普通的未初始化局部变量,j作为初始化的局部变量,测试可得均存在于栈区
u8* pSRAM2 = (u8*)malloc(200);//指针pSRAM2指向堆区分配了一个u8类型200大小的数组的首地址，测试可得存在于堆区
u8 SRAM1_Buffer[100] = {0};//声明了一个局部数组，存在于静态常量区。
delay_init(168); //初始化延时函数
LED_Init(); //初始化LED端口
uart_init(115200);
for(m = 0;m < 100;m++)
{
SRAM3_Buffer[m] = m;
}
printf("未初始化局部变量SRAM1_i在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_i);
printf("初始化的局部变量SRAM1_j在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_j);
printf("初始化局部数组SRAM1_Buffer在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_Buffer);
printf("调用malloc声明了一个在堆区的数组首地址为：0x%x\r\n",pSRAM2);
printf("静态常量区的数组的地址为：0x%x\r\n",SRAM3_Buffer);
printf("静态常量区的数组值为：\r\n");
for(m = 0;m < 100;m++)
{
printf("%d ",SRAM3_Buffer[m]);
}
while(1)
{
delay_ms(500);
LED1 = ~LED1;
}
}
这个首先我们在main函数添加了一个100位局部数组并且把0-99赋值进去，我们可以看到正常数组是位于静态存储区。这时我们声明一个位于栈区的数组，这个数组很大，大到足以污染静态存储区。
涉及内存覆盖的程序
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "stdlib.h"
//为了方便起见，STACK区（栈）我们用SRAM1来表示，HEAP区（堆）我们用SRAM2来表示，静态常量区我们用SRAM3来表示。
u8 SRAM3_Buffer[100]={0};//声明了一个初始化为0的全局数组，在静态常量区，0x2000 0000开头
int main(void)
{
u8 SRAM1_i,SRAM1_j = 1,m;//i为普通的未初始化局部变量,j作为初始化的局部变量,测试可得均存在于栈区
u8* pSRAM2 = (u8*)malloc(200);//指针pSRAM2指向堆区分配了一个u8类型200大小的数组的首地址，测试可得存在于堆区
u8 SRAM1_Buffer[100] = {0};//声明了一个局部数组，存在于静态常量区。
u8 SRAM2_Buffer[1500] = {0};
delay_init(168); //初始化延时函数
LED_Init(); //初始化LED端口
uart_init(115200);
for(m = 0;m < 100;m++)
{
SRAM3_Buffer[m] = m;
}
printf("未初始化局部变量SRAM1_i在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_i);
printf("初始化的局部变量SRAM1_j在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_j);
printf("初始化局部数组SRAM1_Buffer在栈中的地址为：0x%x\r\n",&SRAM1_Buffer);
printf("调用malloc声明了一个在堆区的数组首地址为：0x%x\r\n",pSRAM2);
printf("静态常量区的数组的地址为：0x%x\r\n",SRAM3_Buffer);
printf("静态常量区的数组值为：\r\n");
for(m = 0;m < 100;m++)
{
printf("%d ",SRAM3_Buffer[m]);
}
while(1)
{
delay_ms(500);
LED1 = ~LED1;
}
}
这时我们看到位于静态存储区的数组SRAM1_Buffer里的值已经发生了变化，这是非常可怕的，栈区变量太大导致别的区域如堆区/静态存储区的变量值被影响！
当然这是指经过编程运行后把结果显示在串口调试助手上，如果大家闲麻烦，也可以直接进入调试模式通过Memory 1显示程序运行中的数值变化：
综上所述，我想大家已经大致理解stm32的内存架构了，有一点要说的就是堆是向上延伸，而栈是向下延伸，而且栈区的大小编译时看不出来，所以我们对于堆栈的操作一定要小心，申请的内存都要delete/free掉，不然会造成内存泄漏，养成良好的编程习惯！还有就是局部变量申请过大，导致内存覆盖的问题，也很容易造成程序的崩溃，关于stm32的内存架构就介绍到这里把。
接下来我会向大家介绍我们是如何通过程序来管理我们的内存的，这是我的第一篇博客，欢迎关注，转载标明出处即可，2020 元宵节快乐！