单片机的存储空间与内存分区

ROM、RAM、FLASH与内存分区

一、物理存储介质

1. ROM（Read-Only Memory）- 只读存储器

   • 特性：非易失性存储器，内容出厂固化，不可修改（现代系统中常被FLASH替代）。
   • 用途：存储BootLoader、固定配置数据。

2. FLASH

   • 特性：非易失性存储器、可擦写。
   • 用途：存储程序代码（.text）、常量（.rodata）、中断向量表。

3. RAM（Random Access Memory）- 随机存取存储器

   • 特性：易失性存储器、高速读写，断电数据丢失。
   • 用途：存储运行时数据（堆、栈、全局变量、动态内存）。

二、程序内存分区

1. 代码区（.text段）
   • 位置：FLASH中。
   • 内容：编译后的机器指令（函数代码）、字符串常量也有可能存放在该区。
   • 示例：见文末。
2. 只读数据（常量）区（.rodata段）
   • 位置：FLASH中。
   • 内容：const修饰的全局/静态常量、字符串。
   • 示例：见文末。
3. 全局区/静态存储区
   • 全局区有.bss段和.data段组成，可读可写；位与RAM中。
   • 位置：
     • .bss段 - 启动时清零
       • 未初始化的全局变量、初始化为0的全局变量、初始化为0的静态变量。
       • .bss段不占用可执行文件空间，启动时由操作系统清零。
     • .data段 - 初始值从FLASH加载
       • 已经初始化的全局变量、已经初始化的静态变量（static修饰）。
       • .data段占用可执行文件空间，其内容由程序（程序员）初始化。
   • 示例：见文末。
4. 栈区（Stack）
   • 位置：RAM中，由编译器自动管理。
   • 内容：函数内临时创建的局部变量、函数参数、函数返回值、const定义的局部变量。
   • 特点：LIFO（后进先出），大小固定（可能溢出）。
   • 示例：见文末。
5. 堆区（Heap）
   • 位置：RAM中，位于.bss段末尾和栈区之间。
   • 内容：动态分配的内存（malloc/free）。
   • 特点：手动管理，需防止内存泄漏。
   • 示例：见文末。

IAR与KEIL输出的文件信息

IAR:

MAP文件信息：
29608 bytes of readonly  code memory   [代码，存储于 Flash]
 1360 bytes of readonly  data memory   [常量，存储于 Flash]
 4142 bytes of readwrite data memory   [变量，存储于 RAM]

KEIL:

1. Build Output输出信息：
Program Size: Code=32728 RO-data=368 RW-data=760 ZI-data=3664

2. 在以上数据中：
- Code: 存储代码；   [代码，存储于 Flash]
- Ro-data(Read Only): 存储只读常量，如const修饰的变量；   [常量，存储于 Flash]
- RW-data(Read Write): 存储已初始化的读写变量；   [变量，存储于 RAM]
- ZI-data(Zero Initialze): 存储未初始化或初始化为零的变量；   [变量，存储于 RAM]

3. MAP文件信息：
Total RO  Size (Code + RO Data)             33096 (32.32KB)
Total RW  Size (RW Data + ZI Data)          4424  ( 4.32KB)
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)   33400 (32.62KB)

4. 总结：
RAM = RW Data + ZI Data
ROM/Flash = Code + RW Data + RO Data

三、协作流程与联系

1. 程序启动阶段
   • FLASH加载：CPU从FLASH的0x8000000读取中断向量表，执行Reset_Handler。
   • RAM初始化：
     • 将FLASH中的.data段初始值复制到RAM。
     • 清零RAM中的.bss段。
   • 堆栈初始化：
     • 根据链接脚本设置堆（_heap_start）和栈（_stack_top）的起始地址。
2. 运行时交互
   • 代码执行：CPU从FLASH的.text段读取指令。
   • 数据访问：
     • 全局变量从RAM的.data或.bss段读写。
     • 常量从FLASH的.rodata段读取。
   • 函数调用：
     • 局部变量在栈区动态分配。
     • 递归调用过深可能导致栈溢出（Stack Overflow）。
   • 动态内存：通过堆区分配，需手动管理生命周期。
3. 中断处理
   • 栈切换：中断触发时，自动使用主栈指针（MSP）或进程栈指针（PSP）。
   • 上下文保存：寄存器和返回地址压入栈区。

四、内存布局图示

五、差异总结

区域	存储介质	内容	管理方式	生命周期
代码区 (.text)	FLASH	程序指令、常量字符串	编译器自动分配	永久
.rodata	FLASH	只读全局常量	编译器自动分配	永久
.data	RAM	已初始化全局/静态变量	启动时从FLASH加载	程序运行期
.bss	RAM	未初始化全局/静态变量	启动时清零	程序运行期
堆区 (Heap)	RAM	动态分配内存	手动分配/释放	直到free调用
栈区 (Stack)	RAM	局部变量、函数上下文	编译器自动分配	函数调用期间

六、常见问题

1. FLASH和ROM的区别？

   • ROM是只读存储器，FLASH是可擦写的非易失存储器，现代嵌入式系统中FLASH取代了ROM。

2. 全局变量和静态变量何时初始化？

   • 初始化的全局/静态变量在启动时从FLASH加载到RAM的.data段；未初始化的在.bss段，启动时清零。

3. 堆和栈溢出如何检测？

   • 栈溢出：通过编译器选项（如GCC的-fstack-protector）或硬件MPU保护。
   • 堆溢出：需工具检测（如Valgrind）或自定义内存管理。

4. 中断向量表为何必须放在FLASH起始地址？

   • CPU上电后从固定地址（如STM32的0x08000000）读取向量表，若重映射需配置SCB->VTOR。

七、附录

数据存放位置示例

#include <stdio.h>

//宏定义和枚举常量会被当成代码编译进代码段，不占空间
#define PI 3.1415926

typrdef enum
{
	RED,
	GREEN,
	BLUE
}COLOR_ENUM;

static unsigned int val1 = 1; //val1存放在.data段
 
unsigned int val2 = 1; //初始化的全局变量存放在.data段
 
unsigned int val3 ; //未初始化的全局变量存放在.bss段
 
const unsigned int val4 = 1;  //val4存放在.rodata（只读数据段）
 
 
unsigned char Demo(unsigned int num) // num 存放在栈区
{
	char var = "123456";    // var存放在栈区，"123456"存放在常量区
	
	unsigned int num1 = 1 ; // num1存放在栈区
	
	static unsigned int num2 = 0; // num2存放在.data段
 
    const unsigned int num3 = 7;  //num3存放在栈区
 
	void *p;
	
	p = malloc(8); //p存放在堆区
	
	free(p);
 
    return 1;
}
 
void main()
{
	unsigned int num = 0 ;
	num = Demo(num); //Demo()函数的返回值存放在栈区。
}

参考文章

• CSDN - RAM明明断电会丢失数据，为什么初始化的全局变量存储在RAM？详细分析程序的存储

• 博客园 - 内存五大区：（栈、堆、全局静态区、常量区、代码区）（线程、函数栈、栈帧）

• CSDN - 单片机内存区域划分

• CSDN - RAM、SRAM、DRAM、SDRAM、DDR、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、NAND FLASH、NOR FLASH傻傻分不清楚？一文讲清它们的区别