1.介紹

本文主要針對(duì)如何合理的使用STM32的RAM角度入手，對(duì)STM32的RAM進(jìn)行分配與計(jì)算。目的是降低RAM的使用率，將RAM的使用情況都弄清楚，從而合理的規(guī)劃及分配內(nèi)存。

本文涉及到一些堆棧方面的思考，在MDK中查看MAP文件及堆棧使用情況的文件進(jìn)行分析，得出當(dāng)前程序RAM的分配情況，同時(shí)對(duì)可以縮減的地方進(jìn)行分析。

2.內(nèi)存的基本構(gòu)成

可編程內(nèi)存基本上可以分為以下幾個(gè)部分：靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)bss段、堆區(qū)和棧區(qū)。他們的功能不同，使用方法也就不同。

靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)：

靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)也就是BSS段，英文是Block Started by Symbol的簡(jiǎn)稱，通常是指存放在未初始化的全局變量的一塊內(nèi)存區(qū)域，在程序載入時(shí)由內(nèi)核清零。靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)在程序編譯好的時(shí)候就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在，主要存放靜態(tài)數(shù)據(jù)全局?jǐn)?shù)據(jù)和常量。

棧區(qū)：

在執(zhí)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲(chǔ)單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)，這些存儲(chǔ)單元自動(dòng)被釋放，棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)容容量有限。

堆區(qū)：

也稱動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。一般由程序員分配和釋放，若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由操作系統(tǒng)回收。分配方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的鏈表。程序在運(yùn)行時(shí)候調(diào)用malloc或者new申請(qǐng)任意大小的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候free或者delete釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存的生存期可以由程序決定。良好的使用方法是：如果某動(dòng)態(tài)內(nèi)存不再使用，需要將其釋放掉，否則，很容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏現(xiàn)象。

其內(nèi)存的分配規(guī)律：

如果系統(tǒng)調(diào)用了malloc，從0X20000000開始依次為：靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)+堆區(qū)+棧區(qū)

如果系統(tǒng)未調(diào)用了malloc，從0X20000000開始依次為：靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)+棧區(qū)

2.1 STM32的堆棧機(jī)制

要搞清楚stm32的堆棧機(jī)制，需要理清楚stm32的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

在stm32中，flash，SRAM寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個(gè)4GB的線性地址空間內(nèi)。可訪問的存儲(chǔ)器分為8個(gè)主要塊，每個(gè)塊為512MB。

C語(yǔ)言上分為棧、堆、bss、data、code段。重點(diǎn)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(gè)段:

Code是存儲(chǔ)程序代碼的。

RO-data是存儲(chǔ)const常量和指令。

RW-data是存儲(chǔ)初始化值不為0的全局變量。

ZI-data是存儲(chǔ)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(gè)是MDK編譯之后能夠得到的每個(gè)段的大小，也就能得到占用相應(yīng)的FLASH和RAM的大小，但是還有兩個(gè)數(shù)據(jù)段也會(huì)占用RAM，但是是在程序運(yùn)行的時(shí)候，才會(huì)占用，那就是堆和棧。在stm32的啟動(dòng)文件.s文件里面，就有堆棧的設(shè)置，其實(shí)這個(gè)堆棧的內(nèi)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。

在stm32的啟動(dòng)文件中，statrtup_stm32l151xba.s文件中，有一句這樣的函數(shù)

Stack_Size EQU 0x400

表示棧的大小為0x400也就是1024字節(jié)。這樣CPU在處理任務(wù)的時(shí)候，函數(shù)局部變量最多可以占用的空間大小為1024字節(jié)。這里的棧大小包括函數(shù)的嵌套，遞歸等等，都是從這個(gè)棧里面分配出來的。

所以如果一個(gè)函數(shù)的局部變量過多，或者嵌套層數(shù)越深，那么程序非常容易出現(xiàn)崩潰的情況。所以一定不要在函數(shù)里放過多的局部變量。

堆的增長(zhǎng)方向時(shí)向上的，而棧的增長(zhǎng)方向時(shí)向下的，并且沒有固定的界限，一旦堆棧沖突，函數(shù)就會(huì)崩潰?？傮w上也就是說，在使用堆棧的過程中，一定要確保堆棧的大小及使用情況。

2.2 OS系統(tǒng)內(nèi)存分配策略

對(duì)于OS中對(duì)堆棧的管理，主要分為兩種情況：

（1）用龐大的全局變量數(shù)組來圈住一塊內(nèi)存，然后將這個(gè)內(nèi)存拿來進(jìn)行內(nèi)存管理和分配。這種情況下，堆棧占用的內(nèi)存就是上面說的：如果沒有初始化數(shù)組，或者數(shù)組的初始化值為0，堆棧就是占用的RAM的ZI-data部分；如果數(shù)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(shù)據(jù)的來由和去向。目前在rtthread的內(nèi)存管理上就是采用這種方式。

在board.c中，可以看到如下的代碼

#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP) #define RT_HEAP_SIZE 1024 static uint32_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE]; // heap default size: 4K(1024 * 4) 

用這種方式也有一定的弊端，就是在操作系統(tǒng)創(chuàng)建任務(wù)或者申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，會(huì)多占用一些內(nèi)存資源。

（2）就是把編譯器沒有用掉的RAM部分拿來做內(nèi)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(nèi)存中的一部分或者全部進(jìn)行內(nèi)存管理和分配。這樣的情況下就只需要知道內(nèi)存剩下部分的首地址和內(nèi)存的尾地址，然后要用多少內(nèi)存，就用首地址開始挖，做一個(gè)鏈表，把內(nèi)存獲取和釋放相關(guān)信息鏈接起來，就能及時(shí)的對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理了。

3.STM32內(nèi)存使用情況分析

如果要分析出STM32的內(nèi)存使用情況，可借助KEIL中編譯出來的map文件進(jìn)行查閱

3.1 總體情況一覽

首先可以在map的末尾看總的內(nèi)存使用情況

RO-data是 Read Only 只讀常量的大小，如const型;

RW-data是（Read Write） 初始化了的可讀寫變量的大小;

ZI-data是（Zero Initialize） 沒有初始化的可讀寫變量的大小。ZI-data不會(huì)被算做代碼里因?yàn)椴粫?huì)被初始化;

其中RW Data + ZI Data表示總共需要占用的RAM的大小。而Code + RO Data + RW Data表示ROM需要的大小，根據(jù)這兩個(gè)值，可以根據(jù)程序合理的選擇相應(yīng)的MCU。

3.2 各函數(shù)所需要的內(nèi)存

以下是函數(shù)分配時(shí)的內(nèi)存分配情況，可根據(jù)下面的map文件定位到具體的函數(shù)的內(nèi)存使用情況，其中比較重要的是ZI Data，因?yàn)檫@些內(nèi)存都是分配在RAM空間中的。

Image component sizes
Code (inc. data) RO Data RW Data ZI Data Debug Object Name .
.
.

---------------------------------------------------------------------- 31376 2302 650 400 6848 668739 Object Totals 0 0 32 0 0 0 (incl. Generated) 54 0 3 10 0 0 (incl. Padding)

從上面的表格，可以分析出(ZI Data+RW Data)正好是7248，也就是RAM的空間大小。

對(duì)于以上的數(shù)據(jù)，可以從占用RAM最大的開始計(jì)時(shí)

board.c

該文件是RT-THREAD操作系統(tǒng)里面的，劃分了一個(gè)4KB的靜態(tài)數(shù)組作為操作系統(tǒng)分配的內(nèi)存區(qū)域。

#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP) #define RT_HEAP_SIZE 3072 static uint32_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE]; // heap default size: 4K(1024 * 4) 

該文件里定義了一個(gè)全局的數(shù)組作為操作系統(tǒng)分配的內(nèi)存區(qū)域，這塊區(qū)域作為系統(tǒng)線程的棧空間使用，也可以用來動(dòng)態(tài)的申請(qǐng)內(nèi)存區(qū)域。在這塊RAM中，合理的估算每個(gè)線程的棧大小可以有效的對(duì)該大小進(jìn)行規(guī)劃。

startup_stm32l151xba.S

啟動(dòng)函數(shù)中，會(huì)分配堆棧，這個(gè)堆棧是供C語(yǔ)言使用的，在進(jìn)行程序跳轉(zhuǎn)或者中斷到來時(shí)，都會(huì)進(jìn)行入棧及出棧的操作。目前分配給系統(tǒng)的堆?？臻g時(shí)1KB。

Stack_Size EQU 0x400

usart.c

該函數(shù)是HAL庫(kù)函數(shù)中定義的，其中用到了幾個(gè)全局的結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體的用處主要是供其他函數(shù)調(diào)用UART的操作句柄。這里消耗的RAM資源為600K。

idle.c

idle線程與其他的線程不一樣的地方就是該線程的棧不是存在于rt_heap里面，而是單獨(dú)為其申請(qǐng)了一塊靜態(tài)數(shù)組作為線程使用的堆棧。該函數(shù)消耗的RAM資源為384KB。

僅僅這四個(gè)文件就占用了6KB左右的資源。下面來分析一下具體的內(nèi)存使用情況。

3.3 操作系統(tǒng)RAM的使用情況

在操作系統(tǒng)中，使用RAM的情況可以通過對(duì)每個(gè)線程棧的最大深度來進(jìn)行計(jì)算。

在MDK中，可以查看Static Call Graph for image文件來查看棧的使用情況

可以看出，main函數(shù)的線程棧最大，為224bytes。

那么如何計(jì)算線程的棧的最大值？

就拿main線程來分析

main函數(shù)的最深的棧的最后一個(gè)函數(shù)為_rt_timer_remove

然后看一下rt_timer_stop函數(shù)

然后是rt_thread_suspend

以此類推，可以得到main函數(shù)線程最大需要消耗的?？臻g大小為224bytes。

前面分析出對(duì)于操作系統(tǒng)使用的內(nèi)存，都是在rt_heap上，而這個(gè)內(nèi)存目前是4KB。

所以對(duì)于rt_malloc內(nèi)存都是在以上的資源上申請(qǐng)的。

目前操作系統(tǒng)的線程中，使用的線程如下

線程名稱	堆棧大小	說明
main	224	main線程
tsk_xxx1_entry	184	a線程
tsk_xxx2_entry	160	b線程
tsk_xxx3_entry	168	c線程
tsk_xxx4_entry	160	d線程
tsk_xxx5_entry	176	e線程
tsk_xxx6_entry	160	f線程

也就任務(wù)最少也需要分配的棧空間大小

對(duì)于申請(qǐng)?jiān)趓t_heap上的不只有線程的?？臻g，還有線程控制塊，每一個(gè)線程控制塊為128字節(jié)，每申請(qǐng)一塊內(nèi)存都需要在在頭部加上12字節(jié)的頭部信息。所以在創(chuàng)建這些線程時(shí)，一共消耗rt_heap的資源為

也就是線程上消耗的rt_heap的大小為2632bytes。

還有郵箱與時(shí)間消耗的rt_heap空間

事件統(tǒng)計(jì)：

事件名稱	占用大小	說明
a_re	32	回復(fù)事件
b_te	32	發(fā)送事件
tcle	32	其他消息

所以需要的大小為

信號(hào)量統(tǒng)計(jì)

信號(hào)量名稱	占用大小	說明
a_rsem	32	a消息
b_rmsg	32	b消息信號(hào)量
c_sem	32	c信號(hào)量
d_rmsg	32	d接收信號(hào)量

總結(jié)來看，消耗的rt_heap上的內(nèi)存空間為

3.優(yōu)化內(nèi)存使用策略

如果要優(yōu)化RAM的使用，可以有以下幾個(gè)辦法：

OS的棧內(nèi)存優(yōu)化

縮小OS的堆，目前來看給OS內(nèi)存空間4K還算比較的合理。但是也可以縮減到3K左右，這個(gè)就根據(jù)需求來定。這4K的資源可以做如下的分配：

線程名稱	堆棧大小	TCB	內(nèi)存頭部	說明
main	256(min:224)	128	24	main線程
tsk_xxx1_entry	256(min:184)	128	24	a線程
tsk_xxx2_entry	256(min:160)	128	24	b線程
tsk_xxx3_entry	256(min:168)	128	24	c線程
tsk_xxx4_entry	256(min:160)	128	24	d線程
tsk_xxx5_entry	256(min:176)	128	24	e線程
tsk_xxx6_entry	256(min:160)	128	24	f線程

如果按照每個(gè)堆棧都256字節(jié)來計(jì)算，那么總共需要的RAM空間為2856字節(jié)。加上信號(hào)量與郵箱需要的資源一共是3164字節(jié)?，F(xiàn)在分配的是4096字節(jié)。

以上是一種方式，也可以不用rt_thread的內(nèi)存管理，這樣就燒了內(nèi)存頭部信息的占用。

系統(tǒng)棧上的優(yōu)化

對(duì)于系統(tǒng)棧上目前已知的消耗是2752。可以優(yōu)化的地方是系統(tǒng)棧的空間，現(xiàn)在用的是1024字節(jié)。應(yīng)該可以縮減到512字節(jié)，但是目前沒有縮減。

然后是idle線程的，現(xiàn)在是分配了256字節(jié)的靜態(tài)數(shù)組，這里用不了那么多，可以縮減到128字節(jié)即可。

另外具體的細(xì)節(jié)部分還可以調(diào)整，目前程序的至少可以縮小1K字節(jié)。

4.總結(jié)

STM32降低RAM的使用，本質(zhì)上就是降低堆棧的使用。在這個(gè)過程中，只要搞清楚內(nèi)存的分配方式以及OS的堆棧使用情況即可進(jìn)行內(nèi)存的合理規(guī)劃。

對(duì)于降低RAM的過程，可以從以下方面入手，如果用局部變量，要考慮到棧的分配問題，?？臻g的計(jì)算以函數(shù)最深的入棧開始，一層一層的計(jì)算累加，得到最大的棧的大小，由此，可以計(jì)算得到棧的大小。OS上的內(nèi)存有著自己的一套內(nèi)存管理方式，所以可以劃分出一塊靜態(tài)區(qū)域給OS作為堆使用。OS申請(qǐng)的內(nèi)存都是在這塊區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，計(jì)算各個(gè)線程的?？臻g大小，從而得出最合理的大小。