深入分析MCU堆栈空间:基于Keil MDK的探索与优化策略解析
eetrendMcu 2023-12-04

堆栈对于程序来说非常重要,程序能够快速运行,堆栈起到非常大的作用,但你了解堆栈吗?

概述

我们都知道堆栈位于RAM中,现在MCU的RAM相对较大(几十上百K),所以分配的堆栈也是足够大,很多人都不怎么关注这个堆栈的大小。

但是,以前MCU的RAM比较小,甚至1K都不到,所以,以前的工程师就比较关心堆栈的大小。

对于小项目而言,可能我们不用关心堆栈大小。

但是,如果项目大了,你就要注意了,你堆栈大小设置不合理,很有可能导致Fault。

想要知道堆栈有多大才合适,你就需要明白堆栈的作用,下面让大家进一步了解堆栈。

关于堆栈

我们先看一下两点经典的知识。

1.程序的内存分配

一个由C/C 编译的程序占用的内存分为以下几个部分:

栈区(stack):由编译器自动分配释放,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。

堆区(heap):一般由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式类似于链表。

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。程序结束后由系统释放。

文字常量区:常量字符串就是放在这里的,程序结束后由系统释放。

程序代码区:存放函数体的二进制代码。

2.经典例子程序

int a = 0;              //全局初始化区
char *p1;               //全局未初始化区
main()
{  
    int b;                //栈  
    char s[] = "abc";     //栈  
    char *p2;             //栈  
    char *p3 = "123456";  //123456\0在常量区,p3在栈上。  
    static int c =0;//全局(静态)初始化区  
    p1 = (char *)malloc(10);  
    p2 = (char *)malloc(20);   //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。  
    strcpy(p1, "123456");      //123456\0放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

单片机堆栈

从上面的描述可以看得出来,在代码中是如何占用堆和栈的。

可能很多人还是无法理解,这里再结合STM32的开发过程中与堆栈相关的内容来进行讲述。

1.如何设置STM32的堆栈大小?

这个问题在文章《STM32的启动流程到底是怎样的?》中讲述了在MDK-ARM、IAR EWARM,以及使用STM32CubeMX设置堆栈大小的方法。

2.栈(Stack)

STM32F1默认设置值0x400,也就是1K大小。

Stack_Size    EQU     0x400

函数体内局部变量:

void Fun(void)
{  
    char i;  
    int Tmp[256];  //...
}

局部变量总共占用了256*4 + 1字节的栈空间。

所以,在函数内有较多局部变量时,就需要注意是否超过我们配置的堆栈大小。

函数参数:

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

这里要强调一点:传递指针只占4字节,如果传递的是结构体,就会占用结构大小空间。

提示:在函数嵌套,递归时,系统仍会占用栈空间。

3.堆(Heap)

Heap_Size      EQU     0x200

默认设置0x200(512)字节。

我们大部分人应该很少使用malloc来分配堆空间。

虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问,但是,如果忘记了释放堆内存,那么将会造成内存泄漏,甚至致命的潜在错误。

结合Keil分析RAM占用大小

经常在线调试的人,可能会分析一些底层的内容。这里结合MDK-ARM来分析一下RAM占用大小的问题。

1.png

在MDK编译之后,会有一段RAM大小信息:

这个大小为0x668,在进行在调试时,会出现:

2.jpg

这个MSP就是主堆栈指针,一般我们复位之后指向的位置,复位执向的其实是栈顶:

3.jpg

而MSP指向地址0x20000668是0x20000000偏移0x668而得来。

4.jpg

具体哪些地方占用了RAM,可以参看map文件中【Image Symbol Table】处的内容:

当然,关于map文件详细分析,可以看我系列教程《Keil系列教程12_map文件全面解析》。

关于堆栈,其实还有很多知识可以拓展,比如:堆栈入栈、出栈,向上、向下增长方式,大小端等,大家感兴趣可以先上网了解一下。


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