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STM32記憶體知識

2022-06-09 21:01:41

在瞭解STM32記憶體之前需要了解 MCU 的型號和MDK 中的.map 檔案，很多剛學習 stm32 時都不會過多的去了解 MCU 的選型，是在太枯燥了。這裡在從新瞭解一下，久了就熟悉了。

一、STM32命令規則

二、MDK下生成.map檔案

  1. 在MDK中勾選.map檔案的生成，確認後編譯一下工程即可生成，map檔案。

  2. 開啟.map檔案

三、MDK下檔案基本概念

在.map檔案的最後可以看到檔案資訊的統計，如下圖所示：

當然每次編譯完成後也可以看到統計資訊，如下圖所示：

瞭解MDK下的一些常用變數名：

變數 作用
code 程式碼儲存區，存放函數體的二進位制程式碼
Ro-data 唯讀資料儲存區，存放字常數資料型別（如const型別）程式結束後有系統自動釋放
RW-data 初始化可讀寫變數的大小，程式結束後由系統自動釋放。
ZI-data 沒有初始化的可讀寫變數大小，程式結束後由系統自動釋放。
heap 堆區，一般由程式設計師分配釋放，若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS釋放。
stack 棧區，由編譯器自動分配釋放，存放函數的引數值，區域性變數的值等。
.text 與RO-code同義
.constdata 與RO-data同義
.bss 未初始化的全域性和靜態變數，編譯器自動初始化為0
.data 初始化的全域性和靜態變數（與RW-data同義）
PAD 地址空間對齊
RO Size 包含Code及RO Data，表示唯讀資料佔用Flash空間的大小。
RW Size 包含RW Data及ZI Data，表示執行時佔用的RAM的大小。
ROM Size 包含Code，RO Data及RW Data，表示燒寫程式所佔用的Flash的大小。

注意：棧向下生長，記憶體地址由高至低；堆向上，記憶體地址由低至高

通過上面表格可知STM32在程式設計時所用RAM和ROM的大小：

Flash(ROM)=Code+Ro-data
Sram(RAM)=Rw-data+ZI-data

四、STM32記憶體

這裡我找了一位大佬總結的部落格「STM32記憶體知識你真的瞭解嗎？」，感覺挺好的，所以我直接參照一下啟動的圖片，如下圖所示：

  • STM32程式執行的流程
    程式在執行之前，需要可執行將映象檔案（一般是bin或hex檔案），通過燒寫工具寫入STM32的Flash中。STM32上電啟動（從Flash啟動時）後會將RW段中的RW-data（初始化的全域性變數）拷貝到RAM中，然後根據編譯器給出的ZI地址和大小分配出ZI段，並將這塊RAM區域清零。如下圖所示:左邊是每上電flash+ram的狀態，右邊是上電後執行時flash+ram的狀態。

注意：

  • 可執行映像檔案燒錄到 STM32 後的記憶體分佈包含 RO 段和 RW 段兩個部分，其中其中 RO 段中儲存了 Code、RO-data 的資料，RW 段儲存了 RW-data 的資料，由於 ZI-data 都是 0，所以未包含在映像檔案中。
  • STM32執行時不會拷貝RO段，因為CPU的可執行程式碼是直接從Flash中讀取的。

STM32程式設計時需要注意的事項

  • 堆疊的大小在編譯器編譯之後是不知道的，只有在執行時才知道，所以容易造成堆疊溢位（發生hardfault錯誤），那怎麼知道自己的記憶體大小了，通過選型手冊就知道了，比如我使用的是STM32F103C8T6，ROM是64k,RAM是20k，如下圖所示：

  • 程式中的常數，如果沒加const也會編譯到SRAM裡，加了const會被編譯到flash中。

  • 棧向下生長，記憶體地址由高至低；堆向上，記憶體地址由低至高，堆疊之間沒有固定的界限，堆疊衝突時會導致系統崩潰，如下圖所示：

五、.map檔案

  1. 不同檔案中函數呼叫的關係

    ==============================================================================

Section Cross References

    startup_stm32f10x_hd.o(RESET) refers to startup_stm32f10x_hd.o(.text) for Reset_Handler
    startup_stm32f10x_hd.o(.text) refers to system_stm32f10x.o(.text) for SystemInit
    startup_stm32f10x_hd.o(.text) refers to entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) for __main
    stm32f10x_rcc.o(.text) refers to stm32f10x_rcc.o(.data) for APBAHBPrescTable
    stm32f10x_gpio.o(.text) refers to stm32f10x_rcc.o(.text) for RCC_APB2PeriphResetCmd
    stm32f10x_usart.o(.text) refers to stm32f10x_rcc.o(.text) for RCC_APB2PeriphResetCmd
    led.o(.text) refers to stm32f10x_rcc.o(.text) for RCC_APB2PeriphClockCmd
    led.o(.text) refers to stm32f10x_gpio.o(.text) for GPIO_Init
    main.o(.text) refers to led.o(.text) for LED_GPIO_Config
    main.o(.text) refers to stm32f10x_gpio.o(.text) for GPIO_ResetBits
    entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) refers (Special) to entry10a.o(.ARM.Collect$$$$0000000D) for __rt_final_cpp
    entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) refers (Special) to entry11a.o(.ARM.Collect$$$$0000000F) for __rt_final_exit
    entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) refers (Special) to entry7b.o(.ARM.Collect$$$$00000008) for _main_clock
    entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) refers (Special) to entry8b.o(.ARM.Collect$$$$0000000A) for _main_cpp_init
    entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) refers (Special) to entry9a.o(.ARM.Collect$$$$0000000B) for _main_init
    entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) refers (Special) to entry5.o(.ARM.Collect$$$$00000004) for _main_scatterload
    entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) refers (Special) to entry2.o(.ARM.Collect$$$$00000001) for _main_stk
    entry2.o(.ARM.Collect$$$$00000001) refers to entry2.o(.ARM.Collect$$$$00002712) for __lit__00000000
    entry2.o(.ARM.Collect$$$$00002712) refers to startup_stm32f10x_hd.o(STACK) for __initial_sp
    entry2.o(__vectab_stack_and_reset_area) refers to startup_stm32f10x_hd.o(STACK) for __initial_sp
    entry2.o(__vectab_stack_and_reset_area) refers to entry.o(.ARM.Collect$$$$00000000) for __main
    entry5.o(.ARM.Collect$$$$00000004) refers to init.o(.text) for __scatterload
    entry9a.o(.ARM.Collect$$$$0000000B) refers to main.o(.text) for main
    entry9b.o(.ARM.Collect$$$$0000000C) refers to main.o(.text) for main
    init.o(.text) refers to entry5.o(.ARM.Collect$$$$00000004) for __main_after_scatterload


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    如main.o(.text) refers to led.o(.text) for LED_GPIO_Config，是main.c檔案中呼叫了led.c檔案中的LED_GPIO_Config函數

  2. 被刪除的冗餘函數

    ==============================================================================

Removing Unused input sections from the image.

    Removing startup_stm32f10x_hd.o(HEAP), (0 bytes).
    Removing core_cm3.o(.emb_text), (32 bytes).
    Removing system_stm32f10x.o(.constdata), (20 bytes).
    Removing misc.o(.text), (220 bytes).
    Removing stm32f10x_usart.o(.text), (880 bytes).

5 unused section(s) (total 1152 bytes) removed from the image.

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    刪除冗餘的函數，有效降低程式的程式碼量，MDK自動優化，可以通過「One ELF Section per Function」選項開啟，開啟後可以大大優化程式程式碼量，開啟方式是如下圖所示：

    開啟後再次編譯，看看.map檔案中刪除了81個函數，優化了2762位元組，如下圖所以：

  3. 區域性標號和全域性標號

    • 區域性標號
      主要是在檔案中用static宣告的全域性變數和函數。組合檔案中的標號地址（作用域限本檔案）

    • 全域性標號
      非static宣告的變數和函數，組合檔案中的標號地址（作用域全域性工程）

    注意：

    • Number 不站地址空間，大小為0。
    • DATA 唯讀資料
    • 檔案中的標號再次用i.宣告，說明在c檔案中用static宣告了的，如下圖所示：

  4. 映像檔案
    映像檔案可以分為載入域和執行域
    載入域反應了ARM可執行映像檔案各個段存放在暫存器中的位置關係。

  5. 元件大小

  6. 映像的真實大小

六、.htm檔案

檔案中做大的作用就是基本統計了所有被呼叫函數的棧stack使用的情況（不考慮中斷巢狀）

  1. 棧的最大深度，呼叫路勁是main ⇒ LED_GPIO_Config ⇒ GPIO_Init

  2. 遞迴呼叫函數

  3. 函數指標

  4. 全域性標號

    比如復位中斷函數，使用的是Thumb指令，佔用0位元組棧空間，函數程式碼大小2位元組

    比如系統時鐘初始化函數SystemInit ，使用的是Thumb指令，函數程式碼大小68位元組，佔用棧空間8位元組，程式碼深度28位元組，函數呼叫路徑是Call Chain = SetSysClock ⇒ SetSysClockTo72

參考文獻

stm32的記憶體分佈：https://blog.csdn.net/BooleanWater/article/details/119278723

STM32微控制器的記憶體分佈詳解（1）：https://www.bilibili.com/read/cv13912565

STM32記憶體知識你真的瞭解嗎？：https://blog.csdn.net/qq_49864684/article/details/119887704

MDK生成的map和htm檔案分析：https://www.bilibili.com/video/BV1t3411C7Pu/?spm_id_from=autoNext