ARM Cortex-M底层技术(1)—程序在Flash和SRAM的空间分配
2022-01-15 16:14 dreamboy2000 阅读(978) 评论(0) 编辑 收藏 举报ARM Cortex-M底层技术(1)—程序在Flash和SRAM的空间分配
1. keil编译介绍
当使用keil进行单片机的开发时，运行一段程序后，在output输出框会看到如下图的结果。
图1 keil 的output框
其中，Compiler编译器，使用的版本是 V5.06，程序会先经过编译、后链接linking生成可执行的代码，如果要下载单片机的Flash上，还需要转换成二进制（bin）或者十六进制（hex）的文件。具体过程如下：
图2 keil的编译过程
值得注意的是，经过编译后，并不会给变量赋地址（.o文件），只有经过链接器链接后变量才有地址，链接的作用可以看做是便于管理而做的分类，在链接阶段起作用的是分散加载文件，分散加载文件用来描述生成映像文件时所需的信息，即通过分散加载文件指定ARM链接器在链接阶段如何分配Code、RO-data、RW-data、ZI-data的地址，只用使用了分散加载文件后，你程序的变量、函数等数据才会有地址，只有如此做，程序在运行时，才能根据分配的地址去下一步执行程序，分散加载文件后面会详细讲解，这里只初步了解一下就可以。经链接后代码分为Code、RO-data、RW-data、ZI-data四部分。接下来是老生常谈的问题，每个区都是干嘛的呢？
- 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；
- 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；
- RW-DATA：特指已初始化的可读可写全局/静态变量；
- 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，用到的堆空间和栈空间也会被算入这里面；
之前我一直在想的一个问题是我的局部变量存放在哪里，其实是这样的，局部变量只有在程序运行的过程中才会生成，当程序不运行，即将关闭单片机的电源后，是没有局部变量的。所以这就要涉及到程序的两种状态存储态和运行态。
图3 程序的存储态和运行态
存储态：向Flash中下载程序时，其实仅仅下载的是CODE+RO-data+RW-data的内容，意思就是说，在掉电情况下，Flash里面的内存仅包含CODE+RO-data+RW-data这三块。
运行态：当上电后，程序运行时，首先程序会从特定的地址进行启动，下一节我会详细分析启动文件，启动时会将RW-data的数据加载到SRAM中（启用文件中有一段代码是干这件事的，说的在具体点是分散加载文件会做这件事，在默认情况下，keil中的链接器armlink工具（D:\Keil_v526\ARM\ARMCC\bin\armlink.exe）已经帮你做完了这件事），单片机的 RO区域不需要加载到 SRAM，内核直接从 FLASH 读取指令运行。那ZI-data的数据怎么办呢？对于初始值为0全局变量来说，因为要在Code区要调用该全局变量，所以肯定要对其进行描述，程序运行时就知道了，原来你是初始值为0的全局变量呀，然后分散加载文件就在SRAM中给它分配了一段固定区域的地址；对于局部变量来说， 会自动分配大小，不用我们管。RW-DATA+ZI-DATA就是程序运行总共会占用SRAM的长度，为什么说总共呢？因为当某一个函数运行完后，在这个函数内部的局部变量会被释放掉。再次强调一下，生成局部变量的栈空间包含在ZI-data区的范围。
图4 程序的组成
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，因为单片机中没有MMU，所以无法支持 Linux 和 Windows 系统，这里我说的单片是指M系列的单片机，但是可以跑ucos或FreeRTOS系统。
2. Flash和Sram的理解
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。
2.1 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。这里我只讲基本概念，怎么去操作这些易失性存储器需要可以自行查找资料分析。
2.2 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，最小的擦除单位为一个扇区，有的也称作页page。根据存储单元电路的不同，FLASH存储器又分为NOR FLASH和NAND FLASH。
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/块”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。
目前，单片机SOC内部普遍使用的是SRAM和NorFlash。如果记不住，只需要知道，不跑linux操作系统的Flash全部是norflash，但是不绝对。
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，
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。Flsah或者Ram内部又会根据不同的功能把他们分为多个模块。
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。如果你知道了这些具体地址，及地址块的作用，就可以做BootLoader以便产品后期升级。具体分析写Bootloader以及怎么分析这些地址，会在以后的分散加载文件中详细讲解。
