嵌入式 - 代码看加载【1】IDE 生成的代码大小

更新历史
20220318

1. 首次编辑，简述 keil 工程生成的代码大小，以及存放的空间位置；

引言

这篇文章介绍了 keil 工程生成代码的各中 data 的介绍，以及在地址空间中的存放差异。

依旧是【固件防复制系列】的衍射知识总结，在真正讨论程序加载以及堆栈的分配及使用问题前，先以 keil 为实践 IDE 对象来简单描述下代码生成后，各种数据的放置空间，以及若存在空间不足情况下，代码的简单体积缩减。

生成数据区分

各数据含义

图1 keil 编译信息截图

这里我们可以看到：

程序大小：Code=90512 RO-data=4184 RW-data=820 ZI-data=44140

这里的数值，单位均为字节 Byte。

先分别来说下，各部分的含义：

1. Code: 代码大小
   这个很容易理解，也是我们程序最主要的部分；90512 字节
2. RO-data: Read Only data, 只读性质的数据
   如字符串，const 数据；4184 字节
3. RW-data: Read Write data, 可读可写性质的数据
   已初始化的全局变量；820 字节
4. ZI-data: Zero Initialized, 初始值为 0 的数据
   未初始化的全局变量；44140 字节

关于其放置位置，也是根据 MCU 存储介质的性质以及本身的操作类型来决定的，我们知道 MCU 的闪存或 Flash 空间其属于 ROM 存储器，适合存放只读或初始化值非 0 的数据，而 RAM 则适合存放反复修改的数据类型。
（RW-data 会先分配到闪存，但是由于其 RW 的性质，会在 RAM 中进行拷贝。）

则会有下面的分配：

Flash_occupied = Code + RO-data + RW-data = 95516 Bytes = 93 MB
RAM_occupied = RW-data + ZI-data = 44960 Bytes = 43 MB

为什么 RW 数据有两份？

RW 我们知道是初始化且非 0 的全局变量，也就是说相当于我们看书，看到了某个进度，需要下次再看，这里就需要记录一下进度。
由于 RAM 是掉电即失，则不会也不适合将这个进度的记录放到 RAM 中（程序的放置或者映射位置是编译器工具链进行设定的，而数据本身的读写性质是工程师进行编码确定的，映射放置时只看本身的读写性质），而又由于程序运行中，会对其进行读写（产品电源周期内的运行态），所以需要一块掉电不易失的存储空间来存储，这就会将其放置到了闪存及 Flash 空间。

相应的， ZI-data 放在了 RAM 区，因为其是未初始化或者初始化值为 0 的变量，则不用占用闪存空间（相当于，知道是新书，也不用记录这次看到哪了，拿起来看就完了），运行中进行默认初始化为 0 .

注：关于加载的知识，详细请见《程序员的自我修养》，具体版本请见参考资料章节。

如何缩减空间

在嵌入式开发领域中，嵌入式资源是宝贵的，不免会遇到代码体积过大或需要进行优化的情况，单单从代码体积来看，可以如何缩小占用空间。

想要有的放矢的缩减尺寸，需要了解哪些数据属于 RO, RW 和 ZI。

闪存空间

1. 优化代码语法的使用；如替换 while(1) 为 for( ; ; )，这样汇编语句会减少，且不占用寄存器，没有判断和跳转，空间和时间上都具有优势：

while (1)；

// while(1) 编译后
mov eax，1
test eax，eax
je foo+23h
jmp foo+18h


for(;;);
// 编译后
jmp foo+23h

2. 结构体成员之间的排列问题；
3. 不需要的字符串或 const 常量的删减；（RO-data区）
4. 。。。

RAM 空间

这里的 RAM 一定程度上可以理解为运行时用的空间，涉及到动态建立、修改和访问的数据及数据结构都会放置于这里，比如一些任务控制块、堆栈等。

简化这部分的使用大小：

1. 避免栈空间的大量使用，会导致内存溢出；
2. 简化函数调用；
3. 避免一些不用但是依旧声明的数组等；
4. 。。。

如我在代码中注释掉了僵尸代码，一个在源文件中申明的全局数组（外部源文件没有引用）：

uint32_t src_iap_arrray_data[64];

我们可以看到，这个数据为 64 长的 32 字节元素长度的数组，计算下来就需要 256 字节长度的 RAM 空间，这里注释掉后，再次编译：

图2 keil 编译信息截图（删除冗余代码后）

这里我们对比图1，发现 ZI-data 的大小减少了 44140-43884=256 Byte，也就是我们刚才注释掉的数组大小。
注：这里只是演示了一个很简单的策略，当生成代码大小与预期不一致，有些许出入也是很正常的。

FreeRTOS 堆空间简述

这里简单提一下，如果包含了操作系统的话，比我们产品中使用的是 FreeRTOS，其是在 RAM 区申请了一个较大空间的数组，也就是连续存储空间以作为其本身资源的消耗及管理，这部分是计算在 ZI-data 空间内的，具体大小查看宏定义，比如 v10.0.1 版本的 FreeRTOS 系统堆空间为 15M：

图3 FreeRTOS 堆空间大小宏定义

图4 FreeRTOS 不同内存管理策略下的空间申请

结合图 3、4 我们可知，不同的内存管理策略，都是在 15MB 堆空间大小的前提下，至于不同的内存管理策略具体有什么不同，请参考 FreeRTOS 官网手册: Memory Management; 根据自身开发需求来选定策略。

参考资料

1. stackoverflow - ROM and RAM in ARM；
2. Arm Cortex-M4 Processor Technical Reference Manual；
3. FreeRTOS Developer Docs;
4. 《程序员的自我修养 - 链接、转载与库》，俞甲子 石凡 潘爱民 著，中国工信出版社；