Keil編譯過程及程式在Flash和SRAM的空間分配

理解Keil編譯過程，分析單片中程式在Flash和SRAM的空間分配 ...

1. keil編譯介紹

　　當使用keil進行單片機的開發時，運行一段程式後，在output輸出框會看到如下圖的結果。

圖1 keil 的output框

　　其中，Compiler編譯器，使用的版本是 V5.06，程式會先經過編譯、後鏈接linking生成可執行的代碼，如果要下載單片機的Flash上，還需要轉換成二進位（bin）或者十六進位（hex）的文件。具體過程如下：

圖2 keil的編譯過程

　　值得註意的是，經過編譯後，並不會給變數賦地址生（.o文件），只有經過鏈接器鏈接後變數才有地址，鏈接的作用可以看做是便於管理。經鏈接後代碼分為Code、RO-data、RW-data、ZI-data四部分。接下來是老生常談的問題，每個區都是幹嘛的呢？

CODE：代碼區，指程式中代碼即函數體的大小，註意程式中未使用的函數也會算在CODE中，也即會占用FLASH空間，因此不用的函數最好刪除掉，以免占用過多FLASH空間；
RO-DATA：RO就是只讀的意思，程式中只讀的變數（也就是帶Const的）和已初始化的字元串等；
RW-DATA：特指已初始化的可讀可寫全局/靜態變數；
ZI-DATA：未初始化的可讀可寫全局/靜態變數，註意初始化為0也算做未初始化，用到的堆空間和棧空間也會被算入這裡面；

　　之前我一直在想的一個問題是我的局部變數存放在哪裡，其實是這樣的，局部變數只有在程式運行的過程中才會生成，當程式不運行，即將關閉單片機的電源後，是沒有局部變數的。所以這就要涉及到程式的兩種狀態存儲態和運行態。

圖3 程式的存儲態和運行態

存儲態：向Flash中下載程式時，其實僅僅下載的是CODE+RO-data+RW-data的內容，意思就是說，在掉電情況下，Flash裡面的記憶體僅包含CODE+RO-data+RW-data這三塊。

運行態：當上電後，程式運行時，首先程式會從特定的地址進行啟動，啟動時會將RW-data的數據載入到SRAM中（啟用文件中有一段代碼是乾這件事的，keil已經幫你做完了這件事），單片機的 RO區域不需要載入到 SRAM，內核直接從 FLASH 讀取指令運行。那ZI-data的數據怎麼辦呢？對於初始值為0全局變數來說，因為要在Code區要調用該全局變數，所以肯定要對其進行描述，程式運行時就知道了，原來你是初始值為0的全局變數呀，然後就在SRAM區給你分配了一段固定區域的地址；對於局部變數來說，會自動分配大小，不用我們管。不禁要問了，ZI-data啥用也沒有呀，它其實是有統計作用的，並且SRAM中一段特定的區域是運行ZI-data數據，RW-DATA+ZI-DATA就是程式運行總共會占用SRAM的長度，生成局部變數的棧空間包含在ZI-data區的範圍。

圖4 程式的組成

　　電腦系統的應用程式運行過程很類似，不過電腦系統的程式在存儲狀態時位於硬碟，執行的時候甚至會把上述的 RO 區域(代碼、只讀數據)載入到記憶體，加快運行速度，還有虛擬記憶體管理單元(MMU)輔助載入數據，使得可以運行比物理記憶體還大的應用程式，因為單片中沒有MMU，所以無法支持 Linux 和 Windows 系統，這裡我說的單片是指M系列的單片機，但是可以跑ucos或FreeRTOS系統。

2. Flash和Sram的理解

　　存儲器是電腦結構的重要組成部分，存儲器是用來存儲程式代碼和數據的部件，有了存儲器電腦才具有記憶功能。按照存儲介質的特性，可以分“易失性存儲器”和“非易失性存儲器”兩類，易失和非易失是指存儲器斷電後，裡面存儲的內容是否會丟失，另一邊的速度而言呢，易失性存儲器的速度要快於非易失性存儲器。

2.1 易失性存儲器

　　按照RAM的物理存儲機制，可以分為DRAM（Dynamic）和SRAM（Static）兩類。首先，說一下目前所用的DRAM，其通訊時序是利用時鐘進行同步通訊，所以起名為Synchronous DRAM，那麼，後期為了進一步提高SDRAM的通訊速度，人們設計了DDR SDRAM存儲器(Double Data Rate SDRAM)，隨後又發展出二、三、四代SDRAM，現在很多PC機上的記憶體條是DDRIII SDRAM存儲器。另外，靜態隨機存儲器SRAM的存儲單元以鎖存器來存儲數據，結構比DRAM要複雜很多，所以生產相同容量的存儲器，DRAM的成本要更低，且集成度更高。

2.2 非易失性存儲器

　　半導體類的非易失性存儲器有ROM和FLASH，感覺現在ROM使用的比較少了，貌似很多都被flash代替了。之前學單片機的時候，用的外接EEPROM算是一種ROM，不作過多介紹。FLASH的容量一般比EEPROM大得多，且在擦除時，一般以多個位元組為單位。如有的FLASH存儲器以4096個位元組為扇區，最小的擦除單位為一個扇區。根據存儲單元電路的不同，FLASH存儲器又分為NOR FLASH和NAND FLASH。

　　NOR與NAND的共性是在數據寫入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以“扇區/塊”為單位，而NOR與NAND特性的差別，主要是其內部“地址/數據線”是否分開導致的。

由於NOR的地址線和數據線分開，它可以按“位元組”讀寫數據，符合CPU的指令解碼執行要求，所以假如NOR上存儲了代碼指令，CPU給NOR一個地址，NOR就能向CPU返回一個數據讓CPU執行，中間不需要額外的處理操作。所以，在功能上可以認為NOR是一種斷電後數據不丟失的RAM，但它的擦除單位與RAM有區別，且讀寫速度比RAM要慢得多。
由於NAND的數據和地址線共用，只能按“塊”來讀寫數據，假如NAND上存儲了代碼指令，CPU給NAND地址後，它無法直接返回該地址的數據，所以不符合指令解碼要求。若代碼存儲在NAND上，可以把它先載入到RAM存儲器上，再由CPU執行。

　　目前，單片機SOC內部普遍使用的是SRAM和NorFlash。

　　Flash，SRAM寄存器和輸入輸出埠被組織在同一個4GB的線性地址空間內，可訪問的存儲器空間被分成8個主要塊，每個塊為512MB。存儲器本身不具有地址信息，它的地址是由晶元廠商或用戶分配，給存儲器分配地址的過程就稱為存儲器映射，如果給存儲器再分配一個地址就叫存儲器重映射。NRF52832的記憶體映射如下圖所示，