嵌入式底层基础知识

前言

已经工作了快半年了，整理之前文档的时候偶然看见了，刚开始工作的时候师傅让我学习的相关知识，看了看感觉挺有价值的，尤其是对于一些快要从大学毕业的，想要走上嵌入式岗位的同学。大多都是一些嵌入式底层的知识，但是在大学里并不过于关注这些方面，但是在一些嵌入式岗位的面试当中，往往面试官喜欢问这些方面的知识，这些知识不一定重要，但在嵌入式的学习过程中一定非常有用。

这里也提供一下我这篇文章的参考资料，我也是根据这些大佬的内容整理和总结的：

MAP文件学习

1.文件的作用

开发大型项目时，遇到内存溢出的问题，可通过生成map文件进行分析，了解项目各函数变量使用情况，map可以通过MDK-ARM生成，默认将所有信息输出。

map文件内容共分为5大类：

Section Cross References：模块、段(入口)交叉引用；
Removing Unused input sections from the image：移除未使用的模块；
Image Symbol Table：映射符号表；
Memory Map of the image：内存（映射）分布；
Image component sizes：存储组成大小。

2.各部分功能

2.1 Section Cross References

主要是用于揭示函数，模块之间的调用关系。

clock.o是clock.c通过编译器生成文件，后.o文件同理。

2.2 Removing Unused input sections from the image

主要是为了统计没有被调用模块。

2.3 Image Symbol Table

映射符号表，主要展示个段所储存对于地址的表（较为重要）
按类型分类主要分为:Local Symbols（局部）和Global Symbols（全局）

说明1：

说明2：

HEAP 的起始地址为 0x20002338，
ram从 0x2000 0000开始存放的依次为 .data、.bss、HEAP、STACK。
HEAP在 startup_stm32fxxx.s 中定义过大小为 0x200，
所以结束地址为0x20002538， HEAP 是和 STACK连接在一起的，所以STACK的起始地址为 0x20002538，大小 0X400，结束地址为 0x20002938。
最后我们可以看到 __initial_sp 指向的是0x20002938，入栈从高地址开始入栈，地址越来越小。

说明3：

2.4 Memory Map of the image

内存（映射）分布
说明1：

说明2 flash部分存放：

说明3 RAM部分：

2.5 Image component sizes

储存组成大小
说明1：

说明2：

嵌入式各种变量储存位置

1.变量说明

变量类型分类：

局部变量
局部静态变量
全局变量
全局静态变量

RAM分区：

栈（Stack）:存放局部变量和函数调用时返回的地址。
堆（heap）:由malloc申请，free释放。
bss:存放未初始化或者是初始化为0的全局变量。
data：存放初始化为非0的全局变量。

举例说明：

#include <stdio.h>
 
int data_var = 500;//初始化全局变量，data区
 
int bss_var0;//未初始化全局变量，bss区
 
int bss_var1 = 0;//初始化为0全局变量，bss区
 
static int static_var;//静态全局变量，bss区
 
void my_function(void)
{
    static int static_var1 = 0;//静态局部变量，bss区
 
    int stack = 0;//局部变量，栈（Stack）区
 
    char *buffer；
    
    const int value =1;//虽然是只读的，但是也是存储于RAM中的栈中的
 
    buffer = malloc(10);//指针利用malloc申请10字节，堆（heap）区
}

2.堆栈溢出

如果程序运行过程中，堆得空间也一直在消耗，同时栈的空间也在增加，这时堆和栈如果碰到一起，那么就会造成堆栈溢出，从而导致程序跑飞。

在很多嵌入式设备中，堆栈溢出一直是一个很头疼的调试问题。这里推荐一个工具CmBacktrace是一款针对 ARM Cortex-M 系列 MCU 的错误代码自动追踪、定位，错误原因自动分析的开源库。有兴趣的朋友可以参考这篇文章这里不过多说明。

启动文件.s分析

注意：不同编译器下的启动文件不同，以下以MDK环境下进行讲解

1.启动文件的作用

启动文件主要完成以下工作：

设置堆栈指针 SP = _initial_sp
设置PC指针 = Reset_Handler
配置系统时钟
配置外部 SRAM 用于程序变量等数据存储（可选）
调用C库的 _main 函数，最终调用main函数

2.开辟栈空间和堆空间

开始设置栈空间，用于局部变量，函数调用，函数参数等。

代码说明：

EQU 是伪指令。伪指令的意思是指这个“指令”并不会生产二进制程序代码，也不会引起变量空间分配。
ARER 后面的关键字表示这个段的属性：
- STACK ：表示这个段的名字，可以任意命名。
- NOINIT：表示此数据段不需要填入初始数据。
- READWRITE：表示此段可读可写。
- ALIGN=3：表示首地址按照2的3次方对齐，所以栈空间是8字节对齐的
SPACE 给 STACK 段分配 Stack_Size 的空间。
__initial_sp只是一个标号，标号主要用于表示一片内存空间的某个位置，等价于C语言中的“地址”概念。地址仅仅表示存储空间的位置。
此处的 __initial_sp 紧接着 SPACE 语句放置，表示了栈顶地址。

接下来是开辟堆空间，主要用于动态内存分配，使用malloc，calloc等函数分配的变量空间是在堆上的。

代码说明：
基本与上面相同，大小为0x200。
堆和栈的属性都是 READ/WRITE可读写，可读写段保存于SRAM区，即地址0x2000 0000 地址后。

3.中断向量部分

上图中的 AREA 定义了一段名为 RESET 的 READONLY 只读数据段，只读属性保存在 Flash 区（如果STM32从Flash启动，则此中断向量表的地址为0x0800 0000）
最后 EXPORT 指令，是使得标号可以被外部文件调用,对应的有个 IMPORT 指令，指示后续符号是在外部文件定义的，外部文件的函数供汇编文件调用
标号 _Vectors，表示中断向量表入口地址
标号 _Vectors_End，表示中断向量表的结束地址
标号 _Vectors_Size，表示中断向量表的大号

开始建立中断向量表：

DCD指令：作用是开辟一段空间，其意义等价于 C 语言中的地址符 “&” 。
中断向量表的建立类似于使用C语言定义了一个指针数组，其每一个成员都是一个函数指针，分别指向各个中断服务函数。

4.Reset_Handler 系统启动

系统上电或者复位后首先执行的代码就是复位中断服务函数 Reset_Handler：

图中的 Reset_Handler 中断服务函数使用了WEAK申明，说明我们在外部可以自定义 Reset_Handler 函数
PROC、ENDP这一对伪指令把程序分为若干个过程，是程序结构更加清晰
_main 标号表示 C/C++标准实时库函数里的一个初始化子程序 _main的入口地址。该程序的一个主要作用是初始化堆栈（跳转_user_initial_stackheap标号进行初始化堆栈），并初始化映像文件，最后跳转到C程序中的main函数。这也正解释了为什么所有的C程序必须有一个main函数作为程序的起点，因为这是由C/C++标准实时库所规定的。