標(biāo)題: STM32 大小端模式 與 堆棧及其增長(zhǎng)方向分析 [打印本頁(yè)]

作者: 51黑黑黑    時(shí)間: 2016-2-12 03:22
標(biāo)題: STM32 大小端模式 與 堆棧及其增長(zhǎng)方向分析
       首先感謝這位網(wǎng)友,寫出這篇實(shí)用的深度好文,這篇文章是他的原創(chuàng)。復(fù)制過來(lái),可以時(shí)?纯。本人個(gè)人認(rèn)為,能看懂這篇文章的人才有資格說(shuō)懂一點(diǎn)計(jì)算機(jī)技術(shù)!當(dāng)然,本文優(yōu)化整理后就更出彩!堆heap和棧stack都是計(jì)算機(jī)內(nèi)存,只是屬性不同而已,stack由編譯器自動(dòng)分配和回收,heap由程序員手動(dòng)分配和回收,通過malloc和free函數(shù)。




棧增長(zhǎng)和大端/小端問題是和CPU相關(guān)的兩個(gè)問題.

1,首先來(lái)看:棧(STACK)的問題.

函數(shù)的局部變量,都是存放在"棧"里面,棧的英文是:STACK.STACK的大小,我們可以在stm32的啟動(dòng)文件里面設(shè)置,以戰(zhàn)艦stm32開發(fā)板為例,在startup_stm32f10x_hd.s里面,開頭就有:

Stack_Size      EQU     0x00000800

表示棧大小是0X800,也就是2048字節(jié).這樣,CPU處理任務(wù)的時(shí)候,函數(shù)局部變量做多可占用的大小就是:2048字節(jié),注意:是所有在處理的函數(shù),包括函數(shù)嵌套,遞歸,等等,都是從這個(gè)"棧"里面,來(lái)分配的.
所以,如果一個(gè)函數(shù)的局部變量過多,比如在函數(shù)里面定義一個(gè)u8 buf[512],這一下就占了1/4的棧大小了,再在其他函數(shù)里面來(lái)搞兩下,程序崩潰是很容易的事情,這時(shí)候,一般你會(huì)進(jìn)入到hardfault....
這是初學(xué)者非常容易犯的一個(gè)錯(cuò)誤.切記不要在函數(shù)里面放N多局部變量,尤其有大數(shù)組的時(shí)候!

對(duì)于棧區(qū),一般棧頂,也就是MSP,在程序剛運(yùn)行的時(shí)候,指向程序所占用內(nèi)存的最高地址.比如附件里面的這個(gè)程序序,內(nèi)存占用如下圖:




圖中,我們可以看到,程序總共占用內(nèi)存:20+2348字節(jié)=2368=0X940
那么程序剛開始運(yùn)行的時(shí)候:MSP=0X2000 0000+0X940=0X2000 0940.
事實(shí)上,也是如此,如圖:



圖中,MSP就是:0X2000 0940.
程序運(yùn)行后,MSP就是從這個(gè)地址開始,往下給函數(shù)的局部變量分配地址.

再說(shuō)說(shuō)棧的增長(zhǎng)方向,我們可以用如下代碼測(cè)試: 

//保存棧增長(zhǎng)方向
//0,向下增長(zhǎng);1,向上增長(zhǎng).
static u8 stack_dir;

//查找棧增長(zhǎng)方向,結(jié)果保存在stack_dir里面.
void find_stack_direction(void)
{
    static u8 *addr=NULL; //用于存放第一個(gè)dummy的地址。
    u8 dummy;               //用于獲取棧地址 
    if(addr==NULL)    //第一次進(jìn)入
    {                          
        addr=&dummy;     //保存dummy的地址
        find_stack_direction ();  //遞歸 
    }else                //第二次進(jìn)入 
 {  
        if(&dummy>addr)stack_dir=1; //第二次dummy的地址大于第一次dummy,那么說(shuō)明棧增長(zhǎng)方向是向上的. 
        else stack_dir=0;           //第二次dummy的地址小于第一次dummy,那么說(shuō)明棧增長(zhǎng)方向是向下的.  
 }


這個(gè)代碼不是我寫的,網(wǎng)上抄來(lái)的,思路很巧妙,利用遞歸,判斷兩次分配給dummy的地址,來(lái)比較棧是向下生長(zhǎng),還是向上生長(zhǎng).
如果你在STM32測(cè)試這個(gè)函數(shù),你會(huì)發(fā)現(xiàn),STM32的棧,是向下生長(zhǎng)的.事實(shí)上,一般CPU的棧增長(zhǎng)方向,都是向下的.

2,再來(lái)說(shuō)說(shuō),堆(HEAP)的問題.

全局變量,靜態(tài)變量,以及內(nèi)存管理所用的內(nèi)存,都是屬于"堆"區(qū),英文名:"HEAP"
與棧區(qū)不同,堆區(qū),則從內(nèi)存區(qū)域的起始地址,開始分配給各個(gè)全局變量和靜態(tài)變量.
堆的生長(zhǎng)方向,都是向上的.在程序里面,所有的內(nèi)存分為:堆+棧. 只是他們各自的起始地址和增長(zhǎng)方向不同,他們沒有一個(gè)固定的界限,所以一旦堆棧沖突,系統(tǒng)就到了崩潰的時(shí)候了.
同樣,我們用附件里面的例程測(cè)試:



stack_dir的地址是0X20000004,也就是STM32的內(nèi)存起始端的地址.
這里本來(lái)應(yīng)該是從0X2000 0000開始分配的,但是,我仿真發(fā)現(xiàn)0X2000 0000總是存放:0X2000 0398,這個(gè)值,貌似是MSP,但是又不變化,還請(qǐng)高手幫忙解釋下.
其他的,全局變量,則依次遞增,地址肯定大于0X20000004,比如cpu_endian的地址就是0X20000005.
這就是STM32內(nèi)部堆的分配規(guī)則.

3,再說(shuō)說(shuō),大小端的問題.
大端模式:低位字節(jié)存在高地址上,高位字節(jié)存在低地址上 
小端模式:高位字節(jié)存在高地址上,低位字節(jié)存在低地址上

STM32屬于小端模式,簡(jiǎn)單的說(shuō),比如u32 temp=0X12345678;
假設(shè)temp地址在0X2000 0010.
那么在內(nèi)存里面,存放就變成了:
地址              |            HEX         |
0X2000 0010  |  78   56   43  12  |

CPU到底是大端還是小端,可以通過如下代碼測(cè)試:
//CPU大小端
//0,小端模式;1,大端模式.
static u8 cpu_endian;

//獲取CPU大小端模式,結(jié)果保存在cpu_endian里面
void find_cpu_endian(void)

 int x=1;
 if(*(char*)&x==1)cpu_endian=0; //小端模式 
 else cpu_endian=1;    //大端模式  
}
以上測(cè)試,在STM32上,你會(huì)得到cpu_endian=0,也就是小端模式.


3,最后說(shuō)說(shuō),STM32內(nèi)存的問題.
    還是以附件工程為例,在前面第一個(gè)圖,程序總共占用內(nèi)存:20+2348字節(jié),這么多內(nèi)存,到底是怎么得來(lái)的呢?
我們可以雙擊Project側(cè)邊欄的:Targt1,會(huì)彈出test.map,在這個(gè)里面,我們就可以清楚的知道這些內(nèi)存到底是怎么來(lái)的了.在這個(gè)test.map最后,Image 部分有:
==============================================================================
Image component sizes

      Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Object Name
       172         10          0          4          0        995   delay.o//delay.c里面,fac_us和fac_ms,共占用4字節(jié)
       112         12          0          0          0        427   led.o
        72         26        304          0       2048        828   startup_stm32f10x_hd.o  //啟動(dòng)文件,里面定義了Stack_Size為0X800,所以這里是2048.
       712         52          0          0          0       2715   sys.o
       348        154          0          6          0     208720   test.o//test.c里面,stack_dir和cpu_endian 以及*addr  ,占用6字節(jié).
       384         24          0          8        200       3050   usart.o//usart.c定義了一個(gè)串口接收數(shù)組buffer,占用200字節(jié).
    ----------------------------------------------------------------------
      1800        278        336         20       2248     216735   Object Totals //總共2248+20字節(jié)
         0          0         32          0          0          0   (incl. Generated)
         0          0          0          2          0          0   (incl. Padding)//2字節(jié)用于對(duì)其
    ----------------------------------------------------------------------
      Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Library Member Name
         8          0          0          0          0         68   __main.o
       104          0          0          0          0         84   __printf.o
        52          8          0          0          0          0   __scatter.o
        26          0          0          0          0          0   __scatter_copy.o
        28          0          0          0          0          0   __scatter_zi.o
        48          6          0          0          0         96   _printf_char_common.o
        36          4          0          0          0         80   _printf_char_file.o
        92          4         40          0          0         88   _printf_hex_int.o
       184          0          0          0          0         88   _printf_intcommon.o
         0          0          0          0          0          0   _printf_percent.o
         4          0          0          0          0          0   _printf_percent_end.o
         6          0          0          0          0          0   _printf_x.o
        12          0          0          0          0         72   exit.o
         8          0          0          0          0         68   ferror.o
         6          0          0          0          0        152   heapauxi.o
         2          0          0          0          0          0   libinit.o
         2          0          0          0          0          0   libinit2.o
         2          0          0          0          0          0   libshutdown.o
         2          0          0          0          0          0   libshutdown2.o
         8          4          0          0         96         68   libspace.o          //庫(kù)文件(printf使用),占用了96字節(jié)
        24          4          0          0          0         84   noretval__2printf.o
         0          0          0          0          0          0   rtentry.o
        12          0          0          0          0          0   rtentry2.o
         6          0          0          0          0          0   rtentry4.o
         2          0          0          0          0          0   rtexit.o
        10          0          0          0          0          0   rtexit2.o
        74          0          0          0          0         80   sys_stackheap_outer.o
         2          0          0          0          0         68   use_no_semi.o
         2          0          0          0          0         68   use_no_semi_2.o
       450          8          0          0          0        236   faddsub_clz.o
       388         76          0          0          0         96   fdiv.o
        62          4          0          0          0         84   ffixu.o
        38          0          0          0          0         68   fflt_clz.o
       258          4          0          0          0         84   fmul.o
       140          4          0          0          0         84   fnaninf.o
        10          0          0          0          0         68   fretinf.o
         0          0          0          0          0          0   usenofp.o
    ----------------------------------------------------------------------
      2118        126         42          0        100       1884   Library Totals  //調(diào)用的庫(kù)用了100字節(jié).
        10          0          2          0          4          0   (incl. Padding)   //用于對(duì)其多占用了4個(gè)字節(jié)
    ----------------------------------------------------------------------
      Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Library Name
       762         30         40          0         96       1164   c_w.l
      1346         96          0          0          0        720   fz_ws.l
    ----------------------------------------------------------------------
      2118        126         42          0        100       1884   Library Totals
    ----------------------------------------------------------------------
==============================================================================

      Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug  
      3918        404        378         20       2348     217111   Grand Totals
      3918        404        378         20       2348     217111   ELF Image Totals
      3918        404        378         20          0          0   ROM Totals
==============================================================================
    Total RO  Size (Code + RO Data)                 4296 (   4.20kB)
    Total RW  Size (RW Data + ZI Data)              2368 (   2.31kB)   //總共占用:2248+20+100=2368.
    Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       4316 (   4.21kB)
==============================================================================

通過這個(gè)文件,我們就可以分析整個(gè)內(nèi)存,是怎么被占用的,具體到每個(gè)文件,占用多少.一目了然了.

4,最后,看看整個(gè)測(cè)試代碼:
main.c代碼如下,工程見附件.
#include "sys.h"
#include "usart.h"  
#include "delay.h" 
#include "led.h" 
#include "beep.h"    
#include "key.h"    
//ALIENTEK戰(zhàn)艦STM32開發(fā)板堆棧增長(zhǎng)方向以及CPU大小端測(cè)試
//保存棧增長(zhǎng)方向
//0,向下增長(zhǎng);1,向上增長(zhǎng).
static u8 stack_dir;
//CPU大小端
//0,小端模式;1,大端模式.
static u8 cpu_endian;
 

//查找棧增長(zhǎng)方向,結(jié)果保存在stack_dir里面.
void find_stack_direction(void)
{
    static u8 *addr=NULL; //用于存放第一個(gè)dummy的地址。
    u8 dummy;               //用于獲取棧地址 
    if(addr==NULL)    //第一次進(jìn)入
    {                          
        addr=&dummy;     //保存dummy的地址
        find_stack_direction ();  //遞歸 
    }else                //第二次進(jìn)入 
 {  
        if(&dummy>addr)stack_dir=1; //第二次dummy的地址大于第一次dummy,那么說(shuō)明棧增長(zhǎng)方向是向上的. 
        else stack_dir=0;           //第二次dummy的地址小于第一次dummy,那么說(shuō)明棧增長(zhǎng)方向是向下的.  
 }

//獲取CPU大小端模式,結(jié)果保存在cpu_endian里面
void find_cpu_endian(void)

 int x=1;
 if(*(char*)&x==1)cpu_endian=0; //小端模式 
 else cpu_endian=1;    //大端模式  

int main(void)
{    
 Stm32_Clock_Init(9); //系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置
 uart_init(72,9600);   //串口初始化為9600
 delay_init(72);       //延時(shí)初始化 
 LED_Init();      //初始化與LED連接的硬件接口  
    printf("stack_dir:%x\r\n",&stack_dir);
    printf("cpu_endian:%x\r\n",&cpu_endian);
 
 find_stack_direction(); //獲取棧增長(zhǎng)方式
 find_cpu_endian();  //獲取CPU大小端模式
  while(1)
 {
  if(stack_dir)printf("STACK DIRCTION:向上生長(zhǎng)\r\n\r\n");
  else printf("STACK DIRCTION:向下生長(zhǎng)\r\n\r\n");
  if(cpu_endian)printf("CPU ENDIAN:大端模式\r\n\r\n");
  else printf("CPU ENDIAN:小端模式\r\n\r\n"); 
  delay_ms(500);
  LED0=!LED0;  
 }  
}
測(cè)試結(jié)果如圖:



附加:

STM32屬于小端模式,簡(jiǎn)單的說(shuō),比如u32 temp=0X12345678; 
假設(shè)temp地址在0X2000 0010. 
那么在內(nèi)存里面,存放就變成了: 
地址              |            HEX         | 
0X2000 0010  |  78   56   43  12   

原子哥,這里沒有看明白,我理解的是不是應(yīng)該這樣 
地址              |            HEX         | 
0X2000 0010          78      
0X2000 0011          56 
0X2000 0012          34 
0X2000 0013          12

 
另外,經(jīng)過測(cè)試,確實(shí)是這樣。
STM32的內(nèi)存分配,應(yīng)該分為兩種情況。
1,使用了系統(tǒng)的malloc。
2,未使用系統(tǒng)的malloc。

第一種情況(使用malloc):
STM32的內(nèi)存分配規(guī)律:
從0X20000000開始依次為:靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)+堆區(qū)+棧區(qū)

第二種情況(不使用malloc):
STM32的內(nèi)存分配規(guī)律:
從0X20000000開始依次為:靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)+棧區(qū)

第二種情況不存在堆區(qū)。
所以,一般對(duì)于我們開發(fā)板例程,實(shí)際上,沒有所謂堆區(qū)的概念,而僅僅是:靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)+棧區(qū)。
無(wú)論哪種情況,所有的全局變量,包括靜態(tài)變量之類的,全部存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。
緊跟靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)之后的,是堆區(qū)(如沒用到malloc,則沒有該區(qū)),之后是棧區(qū)。





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