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title:       "嵌入式程序开发——存储器类型与存储区划分，字符串与RAM占用"
subtitle:    ""
description: "为便于深入理解和开发嵌入式软件，本文对常见存储区划分进行了说明，并对不同类型存储器所存储的内容进行了介绍。"
excerpt:     "本文对常见嵌入式系统程序的存储区和分类进行的对比说明，关于程序存储区的划分也使用用其他程序。"
date:        2020-05-27 14:40:00
author:      "Rick Chan"
tags:        ["Development", "Theory","存储"]
categories:  ["Software"]
published:   true
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首先说一下 MCU 的存储器组织。

到本文发布为止，MCU 中常使用的存储器类型有：FLASH、RAM、ROM（包括EEPROM）

在软件角度来看，程序和数据的存储分为以下几个部分：

![程序和数据的存储划分](./img/嵌入式程序开发_存储器类型与存储区划分_字符串与RAM占用/001.png)

**注：**

1. 代码段和常量段都可以用于保存常量数据，其主要区别是，如果常量可以作为汇编指令的一个操作数，则该常量被编译进代码段。如果不能用一个汇编操作数表示，则存于常量段。如 "uchar a=0x05;" 中的 "0x05" 将被编译成代码 "mov #0x05， a"；如果是 "uchar a[]={0x05， 0x06}" 则 "0x05，0x06" 被放置于常量段， 在初始化 a[] 的时候会有一段汇编指令用于将常量段中的内容拷贝到 a[] 中。

软件存储区与硬件存储器类型是怎么对应的呢？

一般来讲如下：

![软件存储区与硬件存储器类型对应关系](./img/嵌入式程序开发_存储器类型与存储区划分_字符串与RAM占用/002.png)

**注：**

1. MCU 中的 ROM 通常用于存储制造商信息、控制器型号等信息；
2. 对于 x86 体系结构的系统，因为没有 Flash 类型的存储器，所以，所有的软件存储区最终都加载到内存中，但是其内存是分段的，用户对不同内存段的访问权限不同，其代码段和常量段不可以被用户修改，如果意外修改则抛出段错误异常。

知道了存储器类型和各存储区的划分之后，让我们来看以下三组程序：

```cpp
/**
 * Progrm 1
 * 相当于汇编伪代码: mov 0x313233343500, &Str[0]
 */
static void ProcStr(void)
{
    char Str[] = {"12345"};
}
```

这段程序中，Str[] 是一个局部数组，其大小为 6，占用的堆栈空间是 8 个字节（假设按4字节对齐）；"12345" 是立即数，相当于代码的一部分，被存储在代码段；Str[] 的初始化过程，相当于从代码段拷贝 6 个字节的数据到栈中，这 6 个字节的 C 语言表示是 "12345\0"。

```cpp
/**
 * Program 2
 * 相当于汇编伪代码: mov 0x313233343500, &Str[0]
 */
static void ProcStr(void)
{
    char Str[] = "12345";
}
```

这段程序与 Progrm 1 的本质是一样的，Str[] 是一个局部数组，其大小为 6，占用的堆栈空间是 8 个字节（假设按4字节对齐）；"12345" 是立即数，相当于代码的一部分，被存储在代码段；Str[] 的初始化过程，相当于从代码段拷贝 6 个字节的数据到栈中，这 6 个字节的 C 语言表示是 "12345\0"。

```cpp
/**
 * Program 3
 * 相当于汇编伪代码:
 *     mov 0xZYX, Str
 *     section .rodata:
 *     0xZYX:
 *         0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x00
 */
static void ProcStr(void)
{
    const char* Str = "12345";
}
```

这段程序中没有数组，唯一的 Str 是一个局部指针，其大小为 4（在 32 位系统中），因此这段程序只占用 4（在 32 位系统中） 个字节的堆栈空间；"12345" 是常量，被存储在常量段；Str 的初始化过程，是将指针 Str 初始化为常量 "12345" 的地址，后续程序通过指针 Str 直接访问常量段，无需内存拷贝过程。

**注：**

1. 每段程序的注释中有等同的汇编伪代码；
2. 字符 '1' 的 Hex 值是 0x31，字符 '2' 的 Hex 值是 0x32...，字符 '5' 的 Hex 值是 0x35；
3. '\0' 的 Hex 值是 0x00；
4. const 关键字并不影响汇编结果。

从以上分析可以看出，前两种方法是一样的，都需要为局部数据分配存储空间，并将代码段中的立即数拷贝过来，而最后一种方法是通过指针直接访问静态数据而无需拷贝。如果字符串长度大于系统中指针的长度，第三种方法将极大的节省堆栈空间。

对于 MCU 来说，这三种方法都需要访问存储在 Flash 中的数据，根据分析，前两种方法应该在读取指令的同时加载立即数，而第三种方法需要进行至少一次额外的 Flash 访问来获取数据，从速度上来说前两者可能更优（访问 Flash 的速度要比内存拷贝慢）。如果接下来要频繁使用这个数据，那么 Cache 机制将对第三种写法有很大的影响。

当然，如果在接下来的程序中，需要修改字符串 Str 中的内容，那就只能采用前两种方法，而第三种方法的数据存储在只读存储区，不可以进行写操作。

*特殊说明：本文的一些内容跟编译器特性和具体的处理器相关，不同编译器，甚至相同编译器的不同版本间可能存在一定差异。*