STM32 大小端模式 与 堆栈及其增长方向分析
在开源电子中看到一篇文章讲的是栈增长和大端/小端问题。学C语言的时候，我们知道堆栈的区别：
1）栈区（stack）：由编译器自动分配和释放，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）：一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。分配
方式类似于数据结构中的链表。
（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。程序结束后由系
统自动释放。
（4）文字常量区：常量字符串就是存放在这里的。
（5）程序代码区：存放函数体的二进制代码。
下面是原子哥的帖子：主要意思是要证明stm32是小端模式，堆从RAM的起始地址处（0x2000 0000）分配内存给全局变量和静态变量，并且堆是向上增长，栈是向下增长。
在后续的讨论中有人认为全局变量和静态变量是放在静态区的，在编译时分配内存，静态区从RAM的起始地址分配内存，并且是连续的。接着才是堆，堆上的内存是动态分配的，由malloc或者new申请。栈上存放局部变量，形参等。
在经过再三实验， 原子哥最终认同了这种观点，做了相应修改。
与之相关的讨论有：
http://www.openedv.com/thread-24152-1-1.html；http://blog.****.NET/slj_win/article/details/16906141 ；http://www.openedv.com/posts/list/26805.htm；
http://www.openedv.com/posts/list/26805.htm
原子哥：
1,首先来看:栈(STACK)的问题.函数的局部变量,都是存放在"栈"里面,栈的英文是:STACK.STACK的大小,我们可以在stm32的启动文件里面设置,以战舰stm32开发板为例,在startup_stm32f10x_hd.s里面,开头就有:
Stack_Size EQU 0x00000800
表示栈大小是0X800,也就是2048字节.这样,CPU处理任务的时候,函数局部变量做多可占用的大小就是:2048字节,注意:是所有在处理的函数,包括函数嵌套,递归,等等,都是从这个"栈"里面,来分配的.所以,如果一个函数的局部变量过多,比如在函数里面定义一个u8 buf[512],这一下就占了1/4的栈大小了,再在其他函数里面来搞两下,程序崩溃是很容易的事情,这时候,一般你会进入到hardfault....
这是初学者非常容易犯的一个错误.切记不要在函数里面放N多局部变量,尤其有大数组的时候!
对于栈区,一般栈顶,也就是MSP,在程序刚运行的时候,指向程序所占用内存的最高地址.比如附件里面的这个程序序,内存占用如下图:
图中,我们可以看到,程序总共占用内存:20+2348字节=2368=0X940
那么程序刚开始运行的时候:MSP=0X2000 0000+0X940=0X2000 0940.
事实上,也是如此,如图:
图中,MSP就是:0X2000 0940.
程序运行后,MSP就是从这个地址开始,往下给函数的局部变量分配地址.
再说说栈的增长方向,我们可以用如下代码测试:
//保存栈增长方向
//0,向下增长;1,向上增长.
static u8 stack_dir;
//查找栈增长方向,结果保存在stack_dir里面.
void find_stack_direction(void)
{
static u8 *addr=NULL; //用于存放第一个dummy的地址。
u8 dummy; //用于获取栈地址
if(addr==NULL) //第一次进入
{
addr=&dummy; //保存dummy的地址
find_stack_direction (); //递归
}else //第二次进入
{
if(&dummy>addr)stack_dir=1; //第二次dummy的地址大于第一次dummy,那么说明栈增长方向是向上的.
else stack_dir=0; //第二次dummy的地址小于第一次dummy,那么说明栈增长方向是向下的.
}
}
这个代码不是我写的,网上抄来的,思路很巧妙,利用递归,判断两次分配给dummy的地址,来比较栈是向下生长,还是向上生长.
如果你在STM32测试这个函数,你会发现,STM32的栈,是向下生长的.事实上,一般CPU的栈增长方向,都是向下的.
2,再来说说,堆(HEAP)的问题.
全局变量,静态变量,以及内存管理所用的内存,都是属于"堆"区,英文名:"HEAP"
与栈区不同,堆区,则从内存区域的起始地址,开始分配给各个全局变量和静态变量.
堆的生长方向,都是向上的.在程序里面,所有的内存分为:堆+栈. 只是他们各自的起始地址和增长方向不同,他们没有一个固定的界限,所以一旦堆栈冲突,系统就到了崩溃的时候了.
同样,我们用附件里面的例程测试:
stack_dir的地址是0X20000004,也就是STM32的内存起始端的地址.
这里本来应该是从0X2000 0000开始分配的,但是,我仿真发现0X2000 0000总是存放:0X2000 0398,这个值,貌似是MSP,但是又不变化,还请高手帮忙解释下.
其他的,全局变量,则依次递增,地址肯定大于0X20000004,比如cpu_endian的地址就是0X20000005.
这就是STM32内部堆的分配规则.
3,再说说,大小端的问题.
大端模式：低位字节存在高地址上，高位字节存在低地址上
小端模式：高位字节存在高地址上，低位字节存在低地址上
STM32属于小端模式,简单的说,比如u32 temp=0X12345678;
假设temp地址在0X2000 0010.
那么在内存里面,存放就变成了:
地址 | HEX |
0X2000 0010 | 78 56 43 12 |
CPU到底是大端还是小端,可以通过如下代码测试:
//CPU大小端
//0,小端模式;1,大端模式.
static u8 cpu_endian;
//获取CPU大小端模式,结果保存在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
}
以上测试,在STM32上,你会得到cpu_endian=0,也就是小端模式.
3,最后说说,STM32内存的问题.
还是以附件工程为例,在前面第一个图,程序总共占用内存:20+2348字节,这么多内存,到底是怎么得来的呢?
我们可以双击Project侧边栏的:Targt1,会弹出test.map,在这个里面,我们就可以清楚的知道这些内存到底是怎么来的了.在这个test.map最后,Image 部分有:
==============================================================================
Code (inc. data) RO Data RW Data ZI Data Debug Object Name
112 12 0 0 0 427 led.o
72 26 304 0 2048 828 startup_stm32f10x_hd.o //启动文件,里面定义了Stack_Size为0X800,所以这里是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字节.
384 24 0 8 200 3050 usart.o//usart.c定义了一个串口接收数组buffer,占用200字节.
1800 278 336 20 2248 216735 Object Totals //总共2248+20字节
0 0 32 0 0 0 (incl. Generated)
0 0 0 2 0 0 (incl. Padding)//2字节用于对其
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 //库文件(printf使用),占用了96字节
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 //调用的库用了100字节.
10 0 2 0 4 0 (incl. Padding) //用于对其多占用了4个字节
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 ELF Image Totals
3918 404 378 20 0 0 ROM Totals
Total RW Size (RW Data + ZI Data) 2368 ( 2.31kB) //总共占用:2248+20+100=2368.
Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data) 4316 ( 4.21kB)
通过这个文件,我们就可以分析整个内存,是怎么被占用的,具体到每个文件,占用多少.一目了然了.
4,最后,看看整个测试代码:
main.c代码如下,工程见附件.
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"
#include "key.h"
//ALIENTEK战舰STM32开发板堆栈增长方向以及CPU大小端测试
//0,向下增长;1,向上增长.
static u8 stack_dir;
//0,小端模式;1,大端模式.
static u8 cpu_endian;
//查找栈增长方向,结果保存在stack_dir里面.
void find_stack_direction(void)
{
static u8 *addr=NULL; //用于存放第一个dummy的地址。
u8 dummy; //用于获取栈地址
if(addr==NULL) //第一次进入
{
addr=&dummy; //保存dummy的地址
find_stack_direction (); //递归
}else //第二次进入
{
if(&dummy>addr)stack_dir=1; //第二次dummy的地址大于第一次dummy,那么说明栈增长方向是向上的.
else stack_dir=0; //第二次dummy的地址小于第一次dummy,那么说明栈增长方向是向下的.
}
}
//获取CPU大小端模式,结果保存在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); //系统时钟设置
uart_init(72,9600); //串口初始化为9600
delay_init(72); //延时初始化
LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口
printf("stack_dir:%x\r\n",&stack_dir);
printf("cpu_endian:%x\r\n",&cpu_endian);
find_stack_direction(); //获取栈增长方式
find_cpu_endian(); //获取CPU大小端模式
while(1)
{
if(stack_dir)printf("STACK DIRCTION:向上生长\r\n\r\n");
else printf("STACK DIRCTION:向下生长\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;
}
}
一、内存基本构成
可编程内存在基本上分为这样的几大部分：静态存储区、堆区和栈区。他们的功能不同，对他们使用方式也就不同。
静态存储区：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。它主要存放静态数据、全局数据和常量。
栈区：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
堆区：亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在适当的时候用free或delete释放内存。动态内存的生存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存。 但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使用，需要将其释放掉，否则，我们认为发生了内存泄漏现象。
按照这个说法，我在.s文件里面设置了：
Heap_Size EQU 0x00000000
也就是，没有任何动态内存分配。
这样，内存=静态存储区+栈区了。
不存在堆！！！
因为我没有用malloc来动态分配内存。
因此，前面提到的一切堆区，其实就是静态存储区。
一、内存基本构成
可编程内存在基本上分为这样的几大部分：静态存储区、堆区和栈区。他们的功能不同，对他们使用方式也就不同。
静态存储区：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。它主要存放静态数据、全局数据和常量。
栈区：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
堆区：亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在适当的时候用free或delete释放内存。动态内存的生存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存。 但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使用，需要将其释放掉，否则，我们认为发生了内存泄漏现象。
按照这个说法，我在.s文件里面设置了：
Heap_Size EQU 0x00000000
也就是，没有任何动态内存分配。
这样，内存=静态存储区+栈区了。
不存在堆！！！
因为我没有用malloc来动态分配内存。
因此，前面提到的一切堆区，其实就是静态存储区。
另外，经过测试，确实是这样。
STM32的内存分配，应该分为两种情况。
1，使用了系统的malloc。
2，未使用系统的malloc。
第一种情况（使用malloc）：
STM32的内存分配规律：
从0X20000000开始依次为：静态存储区+堆区+栈区
第二种情况（不使用malloc）：
STM32的内存分配规律：
从0X20000000开始依次为：静态存储区+栈区
第二种情况不存在堆区。
所以，一般对于我们开发板例程，实际上，没有所谓堆区的概念，而仅仅是：静态存储区+栈区。
无论哪种情况，所有的全局变量，包括静态变量之类的，全部存储在静态存储区。
紧跟静态存储区之后的，是堆区（如没用到malloc，则没有该区），之后是栈区。