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[嵌入式]变量存储重温与Clion编辑器的学习与实践

一、实验要求

1、编写一个C程序，重温全局变量、局部变量、堆、栈等概念，在Ubuntu（x86）系统和STM32(Keil)中分别进行编程、验证（STM32 通过串口printf 信息到上位机串口助手) 。归纳出Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，进行对比分析。
2、安装Clion2021，采用一套新的嵌入式软件开发工具包（替代Keil），完成stm32F103 点亮LED的程序。

二、实验过程及结果

（一）变量存储

1. 内存分配

1）内存属性

属性	描述
静态分配内存	在程序编译和链接时就确定好的内存
动态分配内存	在程序加载、调入、执行的时候分配/回收的内存

2）内存分区

区域	作用
栈区（stack）	由编译器自动分配释放，存放函数形参和局部变量（auto类型）。其操作方式类似于数据结构中的栈。
堆区（heap）	程序动态申请分配和释放空间。一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。（与数据结构中的堆不同，分配方式类似于链表）
全局/静态区（static）	全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量、未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。（当程序结束后，变量由系统释放）
文字常量区	存放常量字符串（当程序结束后，常量字符串由系统释放）
程序代码区	存放函数体的二进制代码

在这里插入图片描述

一个正常的程序在内存中通常分为程序段、数据段、堆栈三部分。
程序段：程序的机器码、只读数据，通常是只读，对它的写操作是非法的。
数据段：程序中的静态数据。
堆栈：内存中的一个连续的块。动态数据则通过堆栈来存放。堆栈指针寄存器（SP）指向堆栈的栈顶。堆栈的底部是一个固定地址，其特点是后进先出，即后放入的数据第一个取出。它支持PUSH、POP操作。PUSH是将数据放到栈的顶端，POP是将栈顶的数据取出。

属性	描述
.text	代码段（Code），用来存放程序执行代码，也可能会包含一些常量。该段内存为静态分配，只读（某些架构可能允许修改），共享。当有多个相同进程（Process）存在时，共用同一个 text 段。
.data	GVAR（global value），用来存放程序中已经初始化的非零全局变量。静态分配。data又可分为读写（RW）区域和只读（RO）区域。RO 段保存常量所以也被称为 .constdata ；RW 段则是普通全局变量，静态变量在其中。
.bss	存放程序中为初始化的和零值全局变量。静态分配。在程序开始时通常会被清零

text和data段都在可执行文件中，由系统从可执行文件中加载；bss段不在可执行文件中，由系统初始化。
在这里插入图片描述

属性	描述
Stack：栈	存放 Automatic Variables ，按内存地址由高到低方向生长，其最大值由编译时确定，速度快，但自由性差，最大空间不大
Heap：堆	自由申请的空间，按内存地址由低到高方向生长，其大小由系统内存 / 虚拟内存上限决定，速度较慢，但自由性大，可用空间大。

3）分区对比

对比	栈	堆	全局/静态存储区	常量存储区
存储内容	局部变量	变量	全局变量、静态变量	常量
作用域	函数作用域、语句块作用域	函数作用域、语句块作用域
编译期间大小是否确定	是	否	是	是
大小	1MB	4GB
内存分配方式	地址由高向低减少	地址由低向高增加
内容是否可以修改	是	是	否	否

注意：
① 随着函数调用层数的增加，函数栈帧是一块块地向内存低地址方向延伸的。
② 随着进程中函数调用层数的减少（即各函数调用的返回），栈帧会一块块地被遗弃而向内存的高址方向回缩。
③ 各函数的栈帧大小随着函数的性质的不同而不等，由函数的局部变量的数目决定。
④ 进程对内存的动态申请是发生在Heap（堆）里的，随着系统动态分配给进程的内存数量的增加，Heap（堆）有可能向高址或低址延伸，这依赖于不同CPU的实现，但一般来说是向内存的高地址方向增长的。
⑤ 在未初始化数据区（BSS）或者Stack（栈区）的增长耗尽了系统分配给进程的自由内存的情况下，进程将会被阻塞，重新被操作系统用更大的内存模块来调度运行。

4）STM32数据存储位置

代码区和常量区的内容编译后存储在ROM中；栈、堆、全局区（.bss段、.data段）存放在RAM中。

介质	特性
ROM（只读存储器）	只能从里面读出数据而不能任意写入数据。ROM与RAM相比，具有读写速度慢的缺点。但由于其具有掉电后数据可保持不变的优点，因此常用也存放一次性写入的程序和数据，比如主版的BIOS程序的芯片就是ROM存储器。
RAM（随机存取存储器）	存储的内容可通过指令随机读写访问。RAM中的存储的数据在掉电时会丢失，因而只能在开机运行时存储数据。RAM可分为两种：Dynamic RAM（DRAM动态随机存储器）和Static RAM（SRAM静态随机存储器）。
Flash Memory	Flash Memory不仅具有ROM掉电不丢失数据的特点，又可以在需要的时候对数据进行更改，不过价格比ROM要高。

2. 编程验证

1）Ubuntu验证

① 源码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//定义全局变量
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{
	printf("hello");
	printf("%d",a);
	printf("\n");
}

int main( )
{   
	//定义局部变量
	int a=2;
	static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
    int init_local_d = 1;
    output(a);
    char *p;
    char str[10] = "lyy";
    //定义常量字符串
    char *var1 = "123456";
    char *var2 = "yushu";
    //动态分配
    int *p1=malloc(4);
    int *p2=malloc(4);
    //释放
    free(p1);
    free(p2);
    printf("栈区-变量地址\n");
    printf("                a：%p\n", &a);
    printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);
    printf("                p：%p\n", &p);
    printf("              str：%p\n", str);
    printf("\n堆区-动态申请地址\n");
    printf("                   %p\n", p1);
    printf("                   %p\n", p2);
    printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
    printf("\n.bss段\n");
    printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
    printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
    printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
    printf("\n.data段\n");
    printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
    printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
    printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
    printf("\n文字常量区\n");
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);
    printf("\n代码区\n");
    printf("程序区地址       ：%p\n",&main);
    printf("函数地址         ：%p\n",&output);
    return 0;
}

② 步骤及结果

gedit stm32.c //创建文件
gcc stm32.c -o stm32 //生成可执行文件
./stm32 //执行可执行文件

在这里插入图片描述

2）STM32验证

① 下载代码

链接：https://pan.baidu.com/s/1T3pxkaoRwqnduxtEOk0pXA
提取码：9teg

② 编写代码

bsp_usart.h文件
添加头文件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

在这里插入图片描述
bsp_usart.c 文件
重写 fputc 函数：

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t)ch);
	
	while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	
	return (ch);
}

在这里插入图片描述
main.c 文件

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"  //添加 bsp_usart.h 头文件

int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;

void output(int a)
{
	printf("hello");
	printf("%d",a);
	printf("\n");
}

int main(void)
{	
	//定义局部变量
	int a=2;
	static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
	int init_local_d = 1;
	char *p;
	char str[10] = "lyy";
	//定义常量字符串
	char *var1 = "123456";
	char *var2 = "yushu";
	//动态分配
	int *p1=malloc(4);
	int *p2=malloc(4);
	USART_Config();//串口初始化
	output(a);
	//释放
	free(p1);
	free(p2);
	printf("栈区-变量地址\n");
	printf("                a：%p\n", &a);
	printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);
	printf("                p：%p\n", &p);
	printf("              str：%p\n", str);
	printf("\n堆区-动态申请地址\n");
	printf("                   %p\n", p1);
	printf("                   %p\n", p2);
	printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
	printf("\n.bss段\n");
	printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
	printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
	printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
	printf("\n.data段\n");
	printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
	printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
	printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
	printf("\n文字常量区\n");
	printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);
	printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);
	printf("\n代码区\n");
	printf("程序区地址       ：%p\n",&main);
	printf("函数地址         ：%p\n",&output);
	return 0;
}

在这里插入图片描述
在MDK中编译后可看到Code、RO-data、RW-data、ZI-data段的大小。

Code：存储程序代码 ?
RO-data：存储const常量和指令
?RW-data：存储初始化值不为0的全局变量
?ZI-data：存储未初始化/初始化值为0的全局变量
ROW（Flash）=Code + RO-Data + RW-Data
RAM=RW-data+ZI-data

查看STM32分配地址：

在这里插入图片描述

① 默认分配的ROM区域是0x8000000开始，大小是0x80000的一片区域，此区域是只读区域，不可修改，即存放的代码区和常量区。
② 默认分配的RAM区域是0x20000000开始，大小是0x10000的一片区域，此区域是可读写区域，存放的是栈、堆、全局区（.bss段、.data段）。

在这里插入图片描述

③ 烧录输出

打开 mcuisp 软件，开始烧录：

在这里插入图片描述
打开串口后，按一下芯片上的RESET，显示输出结果：

在这里插入图片描述

3）比较分析

综上可知：Ubuntu在栈区和堆区的地址值都是从上到下增长的，STM32在栈区的地址值是从上到下减小的，在堆区的地址值是从上到下增长的。从每个区来看，栈区的地址是处于高地址，代码区的地址是处于低地址。

在这里插入图片描述

（二）Clion编辑器

1. Clion介绍

Clion 是一款专为开发C及C++所设计的跨平台IDE。它是以IntelliJ为基础设计的，包含了许多智能功能来提高开发人员的生产力。 CLion帮助开发人员使用智能编辑器来提高代码质量、自动代码重构并且深度整合CMake编译系统，从而提高开发人员的工作效率。

2. Clion安装

1）下载安装

官网下载：CLion2021.2.2 Winx64
打开下载的CLion-2021.2.2.exe文件，选择安装目录

在这里插入图片描述
选中如下选项，点击Next

在这里插入图片描述
点击Install，开始安装

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选择暂时不重启，点击Finish

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打开Clion，选择Evaluate for free

在这里插入图片描述

2）arm-none-eabi-gcc安装

下载： gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10-win32.zip
安装后，将安装目录下的bin文件夹添加到环境变量path中

在这里插入图片描述
在命令行里输入arm-none-eabi-gcc -v，测试是否安装成功（有信息输出表示安装好了）

在这里插入图片描述

3）MinGW安装

下载：x86_64-posix-sjlj
进入 Clion 新建工程

在这里插入图片描述
选择存放路径并建立

在这里插入图片描述
选择 File-Settings-Build-Toolchains，点击OK

在这里插入图片描述

4）OpenOCD安装

官网下载：openocd-20211118.7z
选择 File-Settings-Build-Embedded Development，将两个文件目录转换位置，点击 Test ，提示颜色为墨绿色代表成功

在这里插入图片描述

3. LED灯点亮

1）工程创建

选择STM32CubeMX，填写项目路径，点击Create

在这里插入图片描述
点击Open with STM32CubeMX，进入CubeMX

在这里插入图片描述
点击左上角的STM32F030F4Px，选择STM32F103C8芯片，点击Start Porject

在这里插入图片描述
点击System Core中的SYS，在Debug处选择Serial Wire

在这里插入图片描述
选择RCC，将HSE修改为Crystal/Ceramic Resonator

在这里插入图片描述
点击管脚，选择PA1，PB15，选择为GPIO_Output

在这里插入图片描述
点击Project Manager，选择路径和输入项目名，然后IDE改为SW4STM32，点击右上角的GENERATE CODE

在这里插入图片描述

2）Clion配置

返回Clion，选择st_nucleo_f103rb.cfg文件并使用

在这里插入图片描述
选择右上角OCD LED|Debug下的Edit Configurations...，点击图中的...找到st_nucleo_f103rb.cfg文件位置

在这里插入图片描述

打开st_nucleo_f103rb.cfg文件，将第十行注释掉

在这里插入图片描述

3）添加代码

打开 main.c 文件，在 while 循环里添加代码

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_15,GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(1000);

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_15,GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(1000);

在这里插入图片描述

4）编译烧录

点击右上角的小锤子，开始运行

在这里插入图片描述
打开mcuisp，将.hex文件烧录到STM32F103C8T6核心板

在这里插入图片描述

5）实际效果

基于Clion的STM32点亮LED灯

三、实验总结

在本次实验过程中，我重温了全局变量、局部变量、堆、栈等概念，知道了Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，了解了Clion这个新的嵌入式软件开发工具包（替代Keil）。在使用Ubuntu和keil的过程中，主要是要认识C程序的内存分配，了解一个C程序内存应该包括哪些部分。Clion 是一个多功能跨平台的 IDE，很有使用价值。在通过Clion进行STM32点亮LED灯的过程中，它一方面调用 STM32CubeMX 直接建立了 HAL 工程，另一方面使用 CMake 编译器完成了代码编译。本次实验中我主要是在安装Clion时遇到了问题，比如最开始安装的Clion2021.3版本无法使用，在使用arm-none-eabi-gcc -v命令测试时没有信息输出等等。