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[嵌入式]Ubuntu系统、STM32下堆、栈、全局、局部等变量学习

本文主要内容：

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。?

一、概念学习?

二、Ubuntu(x86)系统和STM32(Keil)中编程验证

一、概念学习?

1.1?全局变量 & 局部变量

全局变量
在所有函数外部定义的变量称为全局变量（Global Variable），它的作用域默认是整个程序，也就是所有的源文件。

局部变量
定义在函数内部的变量称为局部变量（Local Variable），它的作用域仅限于函数内部，离开该函数的内部就是无效的，再使用就会报错。

二者之间的区别

	全局变量	局部变量
定义位置	在方法外部，直接写在类中	在方法内部
作用范围	整个类中都可以使用	只能在方法中使用
默认值	如果没有赋值，则有默认值，规则同数组	没有默认值，要使用必须手动赋值
内存位置	位于堆内存	位于栈内存

1.2 堆 & 栈

1、STM32中的堆栈

单片机是一种集成电路芯片，集成CPU、RAM、ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能。CPU中包括了各种总线电路，计算电路，逻辑电路，还有各种寄存器。

stm32 有通用寄存器 R0‐ R15 以及一些特殊功能寄存器，其中包括了堆栈指针寄存器。
当stm32正常运行程序的时候，来了一个中断，CPU就需要将寄存器中的值压栈到RAM里，然后将数据所在的地址存放在堆栈寄存器中。
等中断处理完成退出时，再将数据出栈到之前的寄存器中，这个在C语言里是自动完成的。

2、程序的内存分配

一般程序占用的内存分为以下几个部分：

1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap） — 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。它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。

3、全局区（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和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后有系统释放

4、文字常量区—常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放

5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

正常的程序在内存中通常分为程序段、数据段、堆栈三部分。
程序段里放着程序的机器码、只读数据，这个段通常是只读，对它的写操作是非法的。
数据段放的是程序中的静态数据。
堆栈是内存中的一个连续的块。一个叫堆栈指针的寄存器（SP）指向堆栈的栈顶。堆栈的底部是一个固定地址。堆栈有一个特点就是，后进先出。也就是说，后放入的数据第一个取出。它支持两个操作，PUSH和POP。PUSH是将数据放到栈的顶端，POP是将栈顶的数据取出。动态数据存放在堆栈中。

3、stm32数据的存储位置

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是会丢失，因而只能在开机运行时存储数据。其中RAM又可以分为两种，一种是Dynamic RAM(DRAM动态随机存储器),另一种是Static RAM(SRAM,静态随机存储器)。栈、堆、全局区（.bss段、.data段）都是存放在RAM中。
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。代码区和常量区的内容是不允许被修改的，所以存放于ROM中。

4、示例程序

//main.cpp
int a = 0; //全局初始化区
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
main() {
    int b; //栈
    char s[] = "abc"; //栈
    char *p2; //栈
    char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。
    static int c = 0; //全局（静态）初始化区
    p1 = (char *)malloc(10);
    p2 = (char *)malloc(20);
    //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
    strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

在一个STM32程序代码中，从内存高地址到内存低地址，依次分布着栈区、堆区、全局区（静态区）、常量去、代码区，其中全局区中高地址分布着.bss段，低地址分布着.data段。

二、Ubuntu(x86)系统和STM32(Keil)中编程验证

2.1 代码编写

#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;//栈
	static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
    int init_local_d = 1;//栈
    output(a);
    char *p;//栈
    char str[10] = "yaoyao";//栈
    //定义常量字符串
    char *var1 = "1234567890";
    char *var2 = "abcdefghij";
    //动态分配——堆区
    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;
}

2.2 ubuntu运行

首先vim .c文件写入代码
进行gcc编译生成.o文件?
运行可执行文件

?可以看到地址值从上到下逐步增大，而不同的区从上到下依次减小。

2.3 stm32(keil)运行

串口

sys

RCC

时钟72

需要自行添加串口初始化函数

修改主函数

#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#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");
}
 
 
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
 
/* USER CODE END Includes */
 
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
 
/* USER CODE END PTD */
 
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */
 
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
 
/* USER CODE END PM */
 
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
 
/* USER CODE BEGIN PV */
 
/* USER CODE END PV */
 
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
 
/* USER CODE END PFP */
 
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
 
/* USER CODE END 0 */
 
/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
 
  /* USER CODE END 1 */
 
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
 
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
 
  /* USER CODE BEGIN Init */
 
  /* USER CODE END Init */
 
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
 
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
 
  /* USER CODE END SysInit */
 
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
 
  /* USER CODE END 2 */
 
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
 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 = "1234567890";
    char *var2 = "qwertyuiop";
    //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;
 
  /* USER CODE END 3 */
}

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