ARM Cortex-M底層技術(1)—程序在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，運行一段程序后，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，程序會先經過編譯、后鏈接linking生成可執行的代碼，如果要下載單片機的Flash上，還需要轉換成二進制（bin）或者十六進制（hex）的文件。具體過程如下：
圖2 keil的編譯過程
值得注意的是，經過編譯后，並不會給變量賦地址（.o文件），只有經過鏈接器鏈接后變量才有地址，鏈接的作用可以看做是便於管理而做的分類，在鏈接階段起作用的是分散加載文件，分散加載文件用來描述生成映像文件時所需的信息，即通過分散加載文件指定ARM鏈接器在鏈接階段如何分配Code、RO-data、RW-data、ZI-data的地址，只用使用了分散加載文件后，你程序的變量、函數等數據才會有地址，只有如此做，程序在運行時，才能根據分配的地址去下一步執行程序，分散加載文件后面會詳細講解，這里只初步了解一下就可以。經鏈接后代碼分為Code、RO-data、RW-data、ZI-data四部分。接下來是老生常談的問題，每個區都是干嘛的呢？
- CODE：代碼區，指程序中代碼即函數體的大小，注意程序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，程序中只讀的變量（也就是帶Const的）和已初始化的字符串等；
- RW-DATA：特指已初始化的可讀可寫全局/靜態變量；
- ZI-DATA：未初始化的可讀可寫全局/靜態變量，注意初始化為0也算做未初始化，用到的堆空間和棧空間也會被算入這里面；
之前我一直在想的一個問題是我的局部變量存放在哪里，其實是這樣的，局部變量只有在程序運行的過程中才會生成，當程序不運行，即將關閉單片機的電源后，是沒有局部變量的。所以這就要涉及到程序的兩種狀態存儲態和運行態。
圖3 程序的存儲態和運行態
存儲態：向Flash中下載程序時，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里面的內存僅包含CODE+RO-data+RW-data這三塊。
運行態：當上電后，程序運行時，首先程序會從特定的地址進行啟動，下一節我會詳細分析啟動文件，啟動時會將RW-data的數據加載到SRAM中（啟用文件中有一段代碼是干這件事的，說的在具體點是分散加載文件會做這件事，在默認情況下，keil中的鏈接器armlink工具（D:\Keil_v526\ARM\ARMCC\bin\armlink.exe）已經幫你做完了這件事），單片機的 RO區域不需要加載到 SRAM，內核直接從 FLASH 讀取指令運行。那ZI-data的數據怎么辦呢？對於初始值為0全局變量來說，因為要在Code區要調用該全局變量，所以肯定要對其進行描述，程序運行時就知道了，原來你是初始值為0的全局變量呀，然后分散加載文件就在SRAM中給它分配了一段固定區域的地址；對於局部變量來說， 會自動分配大小，不用我們管。RW-DATA+ZI-DATA就是程序運行總共會占用SRAM的長度，為什么說總共呢？因為當某一個函數運行完后，在這個函數內部的局部變量會被釋放掉。再次強調一下，生成局部變量的棧空間包含在ZI-data區的范圍。
圖4 程序的組成
計算機系統的應用程序運行過程很類似，不過計算機系統的程序在存儲狀態時位於硬盤，執行的時候甚至會把上述的 RO 區域(代碼、只讀數據)加載到內存，加快運行速度，還有虛擬內存管理單元(MMU)輔助加載數據，使得可以運行比物理內存還大的應用程序，因為單片機中沒有MMU，所以無法支持 Linux 和 Windows 系統，這里我說的單片是指M系列的單片機，但是可以跑ucos或FreeRTOS系統。
2. Flash和Sram的理解
存儲器是計算機結構的重要組成部分，存儲器是用來存儲程序代碼和數據的部件，有了存儲器計算機才具有記憶功能。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后，里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鍾進行同步通訊，所以起名為Synchronous DRAM，那么，后期為了進一步提高SDRAM的通訊速度，人們設計了DDR SDRAM存儲器(Double Data Rate SDRAM)，隨后又發展出二、三、四代SDRAM，現在很多PC機上的內存條是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要復雜很多，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。這里我只講基本概念，怎么去操作這些易失性存儲器需要可以自行查找資料分析。
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，一般以多個字節為單位。如有的FLASH存儲器以4096個字節為扇區，最小的擦除單位為一個扇區，有的也稱作頁page。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“字節”讀寫數據，符合CPU的指令譯碼執行要求，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是一種斷電后數據不丟失的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地址后，它無法直接返回該地址的數據，所以不符合指令譯碼要求。若代碼存儲在NAND上，可以把它先加載到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。如果記不住，只需要知道，不跑linux操作系統的Flash全部是norflash，但是不絕對。
Flash，SRAM寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個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，它的地址是由芯片廠商或用戶分配，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的內存映射如下圖所示，
在nordic芯片中FLASH存儲編譯后下載的程序，SRAM是存儲在程序運行中的臨時創建數據（ARMv7，哈弗結構），故只要你不外擴存儲器，寫完的程序中只要在芯片上運行起來，所有數據也就會出現在這兩個存儲器中。Flsah或者Ram內部又會根據不同的功能把他們分為多個模塊。
在網上看到一張圖，感覺很有意思。這張圖是STM32程序下載到Flash上的存儲結構。如果你知道了這些具體地址，及地址塊的作用，就可以做BootLoader以便產品后期升級。具體分析寫Bootloader以及怎么分析這些地址，會在以后的分散加載文件中詳細講解。
