[嵌入式]STM32的内存管理总结

使用一个STM32芯片，对于内存而言有两个直观的指标就是 RAM 大小，FLASH大小，比如STM32F103系列（其他系列也是如此）：

那么着两个大小意味着什么？怎么去理解这两个内存，那就得从什么是Flash，什么是RAM说起。

一、FLASH 和 RAM基本概念

先来看一张图：

1.1 FLASH是什么

通过上图我们可以知道，FLASH属于 非易失性存储器：

扩展一点说，FLASH又称为闪存，不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据，U盘和MP3里用的就是这种存储器。在以前的嵌入式芯片中，存储设备一直使用ROM(EPROM)，随着技术的进步，现在嵌入式中基本都是FLASH，用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用(U盘)。

然后 Flash 主要有两种NOR Flash和NADN Flash。（对于这两者的区别，下面的话供参考，因为这些介绍都是基于早些年的技术了）

NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。

NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。

STM32单片机内部的FLASH为 NOR FLASH。
Flash 相对容量大，掉电数据不丢失，主要用来存储 代码，以及一些掉电不丢失的用户数据。

1.2 RAM是什么

RAM 属于易失性存储器：

RAM随机存储器（Random Access Memory）表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。比如电脑的内存条。

RAM有两大类，一种称为静态RAM(Static RAM/SRAM)，SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。另一种称为动态RAM(Dynamic RAM/DRAM)，DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。

DRAM分为很多种，常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，这里介绍其中的一种DDR RAM。

DDR RAM(Date-Rate RAM)也称作DDR SDRAM，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存，而且它有着成本优势，事实上击败了Intel的另外一种内存标准-Rambus DRAM。在很多高端的显卡上，也配备了高速DDR RAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

为什么需要RAM，因为相对FlASH而言，RAM的速度快很多，所有数据在FLASH里面读取太慢了，为了加快速度，就把一些需要和CPU交换的数据读到RAM里来执行（注意这里不是全部数据，只是一部分需要的数据，这个在后面介绍STM32的内存管理中会提到）。

STM32单片机内部的 RAM 为 SRAM。
RAM相对容量小，速度快，掉电数据丢失，其作用是用来存取各种动态的输入输出数据、中间计算结果以及与外部存储器交换的数据和暂存数据。

二、STM32的内存架构

2.1 Cortex-M3的存储器映射分析

在《ARM Cotrex-M3权威指南》中有关 M3的存储器映射表：

存储器映射 是用 地址来表示 对象，因为Cortex-M3是32位的单片机，因此其PC指针可以指向2^32=4G的地址空间，也就是图中的 0x00000000到0xFFFFFFFF的区间，也就是将程序存储器、数据存储器、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，数据字节以小端格式存放在存储器中。

2.2 STM32 的存储器映射分析

STM32存储器映射表（选用的是STM32F103VE的，不同的型号Flash 和 SRAM 的地址空间不同，起始地址都是一样的）：

那么我们所需要分析的STM32 内存，就是图中 0X8000 0000开始的 Flash 部分 和 0x2000 0000 开始的SRAM部分，这里还要介绍一个和Flash模块相关的部分：

2.3 STM32的 Flash 组织

参考博文：深入理解STM32内存管理

STM32的Flash，严格说，应该是Flash模块。该Flash模块包括：Flash主存储区（Main memory）、Flash信息区（Informationblock），以及Flash存储接口寄存器区（Flash memory interface）。

主存储器，该部分用来存放代码和数据常数（如加const类型的数据）。对于大容量产品，其被划分为256页，每页2K，小容量和中容量产品则每页只有1K字节。主存储起的起始地址为0X08000000，B0、B1都接GND的时候，就从0X08000000开始运行代码。

信息块，该部分分为2个部分，其中启动程序代码，是用来存储ST自带的启动程序，用于下载，当B0接3.3V，B1接GND时，运行的就这部分代码，用户选择字节，则一般用于配置保护等功能。

闪存储器块，该部分用于控制闪存储器读取等，是整个闪存储器的控制机构。

对于主存储器和信息块的写入有内嵌的闪存编程管理；编程与擦除的高压由内部产生。

在执行闪存写操作时，任何对闪存的读操作都会锁定总线，在写完成后才能正确进行，在进行读取或擦除操作时，不能进行代码或者数据的读取操作。

三、STM32 的内存管理

STM32 的内存管理起始就是对
0X8000 0000 开始的 Flash 部分 和
0x2000 0000 开始的 SRAM 部分使用管理

3.1 C/C++ 程序编译后的存储数据段

参考博文：STM32内存结构介绍

在了解如何使用内存管理之前，先得理解一下 6 个储存数据段 和 3种存储属性区 的概念：

.data

数据段，储存已初始化且不为0的全局变量和静态变量（全局静态变量和局部静态变量）。
static声明的变量放在data段。
数据段属于静态内存分配，所以放在RAM里，准确来说，是在程序运行的时候需要在RAM中运行。

.BSS

Block Started by Symbol。储存未初始化的，或初始化为0的全局变量和静态变量。
BSS段属于静态内存分配，所以放在RAM里。

.text（CodeSegment/Text Segment）

代码段，储存程序代码。也就是存放CPU执行的机器指令(machineinstructions)。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读(某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序)。
在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。
放在Flash里。

.constdata

储存只读常量。const修饰的常量，不管是在局部还是全局
放在Flash 里。
所以为了节省 RAM，把常量的字符串，数据等 用const声明

heap（堆）

堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段。他的大小并不固定，可动态扩张或者缩减，由程序员使用malloc()和free()函数进行分配和释放。当调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）。
放在RAM里
其可用大小定义在启动文件startup_stm32fxx.s中。

stack（栈）

栈又称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，由系统自动分配和释放。可存放局部变量、函数的参数和返回值（但不包括static声明的变量，static意味着 放在 data 数据段中）。
除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。
？？？由于栈的先进先出(FIFO)特点？？？上面这句话正确吗？Cortex-M3/M4的堆栈是向下生长，第一个入栈的元素应该是最后一个才能出来？？
所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。
从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。
放在RAM里
其大小定义在启动文件startup_stm32fxx.s中。

3.2 STM32 程序编译后的内存占用情况

我们通过MDK编译后的结果来分析：

Code：
程序代码部分。
.text 段
放在ROM里面，就是Flash，需要占用flash空间

RO-data
(Read Only)只读数据
程序定义的常量,只读数据，字符串常量（const修饰的）
.constdata 段
放在flash里面，需要占用flash空间

RW-data
(Read Write)可读可写数据
已经初始化的全局变量和静态变量（就是static修饰的变量）；
.data 段
需要在 RAM里面运行，但是起初需要保存在 Flash里面，程序运行后复制到 RAM里面运行，需要占用Flash空间

ZI-data
(Zero Initialize)未初始化的全局变量和静态变量，以及初始化为0的变量；
.BSS段
ZI的数据全部是0，没必要开始就包含，只要程序运行之前将ZI数据所在的区域（RAM里面）一律清 0，不占用Flash，运行时候占用RAM.

heap 和 stack 其实也属于 ZI，只不过他不是程序编译就能确定大小的，必须在运行中才会有大小，而是是变化的

因为RAM掉电丢失，所以 RW-data 数据也得下载到ROM（flash） 中，在运行的时候复制到 RAM中运行，如下图所示：

由上我们得知：

程序占用 Flash = Code + RO data + RW data

程序运行时候占用 RAM = RW data + ZI data。

Code + RO data + RW data 的大小也是生成的 bin 文件的大小

3.3 STM32 程序的内存分配

我们前面说到的 stack（栈） 和 heap（堆），程序编译完成以后并不能知道大小，需要在程序运行的时候才能知道。

stm32 FLASH的起始地址是0x08000000，当然也可以自定义起始地址，不过记得在main函数中定义变量后加一句SCB->VTOR=FLASH_BASE | OFFSET;OFFSET是想要偏移的量，可宏定义或直接0xXX。

当然也可以调用库函数 NVIC_SetVectorTable（）进行偏移，效果一样。IAP升级这样用的多

x86cpu和单片机读取程序

参考博文：cpu运行时程序是在flash中还是在RAM呢？
x86的pc机cpu在运行的时候程序是存储在RAM中的，而单片机等嵌入式系统则是存于flash中

x86cpu和单片机读取程序的具体途径

pc机在运行程序的时候将程序从外存（硬盘）中，调入到RAM中运行，cpu从RAM中读取程序和数据
而单片机的程序则是固化在flash中，cpu运行时直接从flash中读取程序，从RAM中读取数据

原因分析

x86构架的cpu是基于冯.诺依曼体系的，即数据和程序存储在一起，而且pc机的RAM资源相当丰富，从几十M到几百M甚至是几个G，客观上能够承受大量的程序数据。
单片机的构架大多是哈弗体系的，即程序和数据分开存储，而且单片的片内RAM资源是相当有限的，内部的RAM过大会带来成本的大幅度提高。

冯.诺依曼体系与哈佛体系的区别

二者的区别就是程序空间和数据空间是否是一体的。 早期的微处理器大多采用冯诺依曼结构，典型代表是Intel公司的X86微处理器。取指令和取操作数都在同一总线上，通过分时复用的方式进行的。缺点是在高速运行时，不能达到同时取指令和取操作数，从而形成了传输过程的瓶颈。
哈佛总线技术应用是以DSP和ARM为代表的。采用哈佛总线体系结构的芯片内部程序空间和数据空间是分开的，这就允许同时取指令和取操作数，从而大大提高了运算能力。

用jlink在线仿真，则是下载到SRAM中。

STM32 的启动方式

第一种启动方式是最常用的用户FLASH启动，正常工作就在这种模式下，STM32的FLASH可以擦出10万次，所以不用担心芯片哪天会被擦爆！

第二种启动方式是系统存储器启动方式，即我们常说的串口下载方式（ISP），不建议使用这种，速度比较慢。STM32 中自带的BootLoader就是在这种启动方式中，如果出现程序硬件错误的话可以切换BOOT0/1到该模式下重新烧写Flash即可恢复正常。

第三种启动方式是STM32内嵌的SRAM启动。该模式用于调试。