一文解析STM32內存管理和堆棧的認知與理解

本文主要介紹了STM32內存管理和堆棧的認知與理解，首先介紹的是內存管理的實現原理及分配、釋放原理，其次介紹了stm32的存儲器結構，最后闡述了堆棧的認知與理解，具體的跟隨小編一起來了解一下吧。

STM32內存管理詳解

內存管理，是指軟件運行時對計算機內存資源的分配和使用的技術。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在適當的時候釋放和回收內存資源。內存管理的實現方法有很多種，他們其實最終都是要實現 2 個函數： malloc 和 free； malloc 函數用于內存申請， free 函數用于內存釋放。

內存管理的實現原理

從上圖可以看出，分塊式內存管理由內存池和內存管理表兩部分組成。內存池被等分為 n塊，對應的內存管理表，大小也為 n，內存管理表的每一個項對應內存池的一塊內存。內存管理表的項值代表的意義為：當該項值為 0 的時候，代表對應的內存塊未被占用，當該項值非零的時候，代表該項對應的內存塊已經被占用，其數值則代表被連續占用的內存塊數。比如某項值為 10，那么說明包括本項對應的內存塊在內，總共分配了 10 個內存塊給外部的某個指針。內寸分配方向如圖所示，是從頂?底的分配方向。（即從高位地址到低位地址）即首先從最末端開始找空內存。當內存管理剛初始化的時候，內存表全部清零，表示沒有任何內存塊被占用。

分配原理

當指針 p 調用 malloc 申請內存的時候，先判斷 p 要分配的內存塊數（ m），然后從第 n 項開始，向下查找，直到找到 m 塊連續的空內存塊（即對應內存管理表項為 0），然后將這 m 個內存管理表項的值都設置為 m（標記被占用），最后，把最后的這個空內存塊的地址返回指針 p，完成一次分配。注意，如果當內存不夠的時候（找到最后也沒找到連續的 m 塊空閑內存），則返回 NULL 給 p，表示分配失敗。

釋放原理

當 p 申請的內存用完，需要釋放的時候，調用 free 函數實現。 free 函數先判斷 p 指向的內存地址所對應的內存塊，然后找到對應的內存管理表項目，得到 p 所占用的內存塊數目 m（內存管理表項目的值就是所分配內存塊的數目），將這 m 個內存管理表項目的值都清零，標記釋放，完成一次內存釋放。

stm32的存儲器結構

?Flash，SRAM寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個4GB的線性地址空間內?？稍L問的存儲器空間被分成8個主要塊，每個塊為512MB。

FLASH存儲下載的程序。

SRAM是存儲運行程序中的數據。

所以，只要你不外擴存儲器，寫完的程序中的所有東西也就會出現在這兩個存儲器中。

堆棧的認知與理解

1、STM32中的堆棧

這個我產生過混淆，導致了很多邏輯上的混亂。首先要說明的是單片機是一種集成電路芯片，集成CPU、RAM、ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能。CPU中包括了各種總線電路，計算電路，邏輯電路，還有各種寄存器。Stm32有通用寄存器R0‐R15 以及一些特殊功能寄存器，其中包括了堆棧指針寄存器。當stm32正常運行程序的時候，來了一個中斷，CPU就需要將寄存器中的值壓棧到RAM里，然后將數據所在的地址存放在堆棧寄存器中。等中斷處理完成退出時，再將數據出棧到之前的寄存器中，這個在C語言里是自動完成的。

2、編程中的堆棧

在編程中很多時候會提到堆棧這個東西，準確的說這個就是RAM中的一個區域。我們先來了解幾個說明：

（1） 程序中的所有內容最終只會出現在flash，ram里（不外擴）。

（2） 段的劃分，是將類似數據種類存儲在一個區域里，方便管理，但正如上面所說，不管什么段的數據，都是最終在flash和ram里面。

C語言上分為棧、堆、bss、data、code段。具體每個段具體是存儲什么數據的，直接百度吧。重點分析一下STM32以及在MDK里面段的劃分。

MDK下Code，RO-data，RW-data，ZI-data這幾個段：

Code是存儲程序代碼的。

?RO-data是存儲const常量和指令。

?RW-data是存儲初始化值不為0的全局變量。

?ZI-data是存儲未初始化的全局變量或初始化值為0的全局變量。

Flash=Code + RO Data + RW Data;

RAM= RW-data+ZI-data;

這個是MDK編譯之后能夠得到的每個段的大小，也就能得到占用相應的FLASH和RAM的大小，但是還有兩個數據段也會占用RAM，但是是在程序運行的時候，才會占用，那就是堆和棧。在stm32的啟動文件.s文件里面，就有堆棧的設置，其實這個堆棧的內存占用就是在上面RAM分配給RW-data+ZI-data之后的地址開始分配的。

堆：是編譯器調用動態內存分配的內存區域。

棧：是程序運行的時候局部變量的地方，所以局部變量用數組太大了都有可能造成棧溢出。

堆棧的大小在編譯器編譯之后是不知道的，只有運行的時候才知道，所以需要注意一點，就是別造成堆棧溢出了。不然就等著hardfault找你吧。

3、OS中的堆棧及其內存管理。

嵌入式系統的堆棧，不管是用什么方法來得到內存，感覺他的方式都和編程中的堆差不多。目前我知道兩種獲得內存情況：

（1）用龐大的全局變量數組來圈住一塊內存，然后將這個內存拿來進行內存管理和分配。這種情況下，堆棧占用的內存就是上面說的：如果沒有初始化數組，或者數組的初始化值為0，堆棧就是占用的RAM的ZI-data部分；如果數組初始化值不為0，堆棧就占用的RAM的RW-data部分。這種方式的好處是容易從邏輯上知道數據的來由和去向。

（2）?就是把編譯器沒有用掉的RAM部分拿來做內存分配，也就是除掉RW-data+ZI-data+編譯器堆+編譯器棧后剩下的RAM內存中的一部分或者全部進行內存管理和分配。這樣的情況下就只需要知道內存剩下部分的首地址和內存的尾地址，然后要用多少內存，就用首地址開始挖，做一個鏈表，把內存獲取和釋放相關信息鏈接起來，就能及時的對內存進行管理了。內存管理的算法多種多樣，不詳說，這樣的情況下：OS的內存分配和自身局部變量或者全局變量不沖突，之前我就在這上面糾結了很久，以為函數里面的變量也是從系統的動態內存中得來的。這種方式感覺更加能夠明白自己地址的開始和結束。

這兩種方法我感覺沒有誰更高明，因為只是一個內存的獲取方式，高明的在于內存的管理和分配。?