一文解析STM32内存管理和堆栈的认知与理解

本文主要介绍了STM32内存管理和堆栈的认知与理解，首先介绍的是内存管理的实现原理及分配、释放原理，其次介绍了stm32的存储器结构，最后阐述了堆栈的认知与理解，具体的跟随小编一起来了解一下吧。

STM32内存管理详解

内存管理，是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。内存管理的实现方法有很多种，他们其实最终都是要实现 2 个函数： malloc 和 free； malloc 函数用于内存申请， free 函数用于内存释放。

内存管理的实现原理

从上图可以看出，分块式内存管理由内存池和内存管理表两部分组成。内存池被等分为 n块，对应的内存管理表，大小也为 n，内存管理表的每一个项对应内存池的一块内存。内存管理表的项值代表的意义为：当该项值为 0 的时候，代表对应的内存块未被占用，当该项值非零的时候，代表该项对应的内存块已经被占用，其数值则代表被连续占用的内存块数。比如某项值为 10，那么说明包括本项对应的内存块在内，总共分配了 10 个内存块给外部的某个指针。内寸分配方向如图所示，是从顶底的分配方向。（即从高位地址到低位地址）即首先从最末端开始找空内存。当内存管理刚初始化的时候，内存表全部清零，表示没有任何内存块被占用。

分配原理

当指针 p 调用 malloc 申请内存的时候，先判断 p 要分配的内存块数（ m），然后从第 n 项开始，向下查找，直到找到 m 块连续的空内存块（即对应内存管理表项为 0），然后将这 m 个内存管理表项的值都设置为 m（标记被占用），最后，把最后的这个空内存块的地址返回指针 p，完成一次分配。注意，如果当内存不够的时候（找到最后也没找到连续的 m 块空闲内存），则返回 NULL 给 p，表示分配失败。

释放原理

当 p 申请的内存用完，需要释放的时候，调用 free 函数实现。 free 函数先判断 p 指向的内存地址所对应的内存块，然后找到对应的内存管理表项目，得到 p 所占用的内存块数目 m（内存管理表项目的值就是所分配内存块的数目），将这 m 个内存管理表项目的值都清零，标记释放，完成一次内存释放。

stm32的存储器结构

​Flash，SRAM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。可访问的存储器空间被分成8个主要块，每个块为512MB。

FLASH存储下载的程序。

SRAM是存储运行程序中的数据。

所以，只要你不外扩存储器，写完的程序中的所有东西也就会出现在这两个存储器中。

堆栈的认知与理解

1、STM32中的堆栈

这个我产生过混淆，导致了很多逻辑上的混乱。首先要说明的是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、编程中的堆栈

在编程中很多时候会提到堆栈这个东西，准确的说这个就是RAM中的一个区域。我们先来了解几个说明：

（1） 程序中的所有内容最终只会出现在flash，ram里（不外扩）。

（2） 段的划分，是将类似数据种类存储在一个区域里，方便管理，但正如上面所说，不管什么段的数据，都是最终在flash和ram里面。

C语言上分为栈、堆、bss、data、code段。具体每个段具体是存储什么数据的，直接百度吧。重点分析一下STM32以及在MDK里面段的划分。

MDK下Code，RO-data，RW-data，ZI-data这几个段：

Code是存储程序代码的。

​RO-data是存储const常量和指令。

​RW-data是存储初始化值不为0的全局变量。

​ZI-data是存储未初始化的全局变量或初始化值为0的全局变量。

Flash=Code + RO Data + RW Data;

RAM= RW-data+ZI-data;

这个是MDK编译之后能够得到的每个段的大小，也就能得到占用相应的FLASH和RAM的大小，但是还有两个数据段也会占用RAM，但是是在程序运行的时候，才会占用，那就是堆和栈。在stm32的启动文件.s文件里面，就有堆栈的设置，其实这个堆栈的内存占用就是在上面RAM分配给RW-data+ZI-data之后的地址开始分配的。

堆：是编译器调用动态内存分配的内存区域。

栈：是程序运行的时候局部变量的地方，所以局部变量用数组太大了都有可能造成栈溢出。

堆栈的大小在编译器编译之后是不知道的，只有运行的时候才知道，所以需要注意一点，就是别造成堆栈溢出了。不然就等着hardfault找你吧。

3、OS中的堆栈及其内存管理。

嵌入式系统的堆栈，不管是用什么方法来得到内存，感觉他的方式都和编程中的堆差不多。目前我知道两种获得内存情况：

（1）用庞大的全局变量数组来圈住一块内存，然后将这个内存拿来进行内存管理和分配。这种情况下，堆栈占用的内存就是上面说的：如果没有初始化数组，或者数组的初始化值为0，堆栈就是占用的RAM的ZI-data部分；如果数组初始化值不为0，堆栈就占用的RAM的RW-data部分。这种方式的好处是容易从逻辑上知道数据的来由和去向。

（2）​就是把编译器没有用掉的RAM部分拿来做内存分配，也就是除掉RW-data+ZI-data+编译器堆+编译器栈后剩下的RAM内存中的一部分或者全部进行内存管理和分配。这样的情况下就只需要知道内存剩下部分的首地址和内存的尾地址，然后要用多少内存，就用首地址开始挖，做一个链表，把内存获取和释放相关信息链接起来，就能及时的对内存进行管理了。内存管理的算法多种多样，不详说，这样的情况下：OS的内存分配和自身局部变量或者全局变量不冲突，之前我就在这上面纠结了很久，以为函数里面的变量也是从系统的动态内存中得来的。这种方式感觉更加能够明白自己地址的开始和结束。

这两种方法我感觉没有谁更高明，因为只是一个内存的获取方式，高明的在于内存的管理和分配。​