STM32的堆栈及其内存存储结构

上一篇文章中，为了提取jlink-ob的bin文件，需要到jlinkARM.dll中获取，因此必须要了解STM32编译后的指令特点及其存储特性，所以这一篇先来看看堆栈和存储，以及SP这个栈顶地址是怎么确定的。

如何获取Jlink-ob的固件

今天来科普一下堆栈的概念，以及SMT32存储器是如何存储代码的。

堆和栈的概念其实是渐进式的来看，首先堆栈是一种数据结构，其次程序运行的时候利用了这样的数据结构，在MCU的内存中营造出了这两个区域来配合程序执行。

一，什么是堆栈和队列

堆栈对应到英文单词就是heap和stack。

这里要注意，在数据结构中，队列和的堆栈是不同类型的数据结构。

我记得初学计算机的时候，有一个很有意思的题目--摞盘子。

我现在每天的生活中都在亲历这个题目，晚饭后，我会把厨房收拾干净，所有的盘子都洗干净摞在一起。

旁边那一摞盘子其实就是我设计的一个栈，他有一个特点，那就是我做饭的时候一定先要从最上面拿起一个盘子乘菜。而当我刷锅洗碗时，我会把洗好的盘子再放回最上面。如果觉察到下面的盘子积灰了，那说明我们的栈深度还足够，否则我会认为最近做的菜有点多了。好了，上面就是一个数据结构 — 栈的问题，下面我们看一下鸡蛋的问题。额，不是鸡蛋，是队列的问题。

我最近买了一个储存鸡蛋的盒子，设计的很巧妙，买来鸡蛋我就从上面一个一个的放进去，然后放在冰箱的最上面。需要鸡蛋的时候，我就从下面取一颗，源源不断。你会发现，我吃的永远是剩的最陈旧的那一颗鸡蛋，这就是队列。

二，STM32 的FLASH与RAM的存储

到了计算机系统中，堆和栈被分别了开来。其中栈保持原有的特性，也可以叫做堆栈，它是一种运算受限的线性表，限制仅允许在表的一段进行插入和删除操作，可以被操作的这一端叫做栈顶，另一端叫做栈底，也就是容易积灰的那一端。栈在程序运行的过程中主要负责存储局部变量，比如我们函数中定义的变量，如果控制器内核的寄存器不够用了，它就会把这个变量放到栈里面先存一会。在操作系统中，任务切换时的现场参数保存也是存放到对应任务的栈（这里的栈其实放在STM32的全局变量里面）里面。上面有点迷糊，这里我们主要讨论STM32裸机程序的堆栈情况。在STM32中，堆是用来给分配动态内存的，系统只有用到malloc的时候才会使用这个区间，后面在讲这个位置。我先看看，每次编译完程序，编译器链接后，会提供一个生成信息。

代码编译后提示信息可以看到的内容

Code ：是代码占用的空间,存储到Flash【ROM】中的程序代码。RO-data：是 Read Only 只读常量的大小，如const修饰的变量。用来存储程序的指令和常量，保存在Flash【ROM】中。RW-data：是（Read Write） RW是可读可写变量，就是初始化时候就已经赋值了的（上电前就已经确定值的），RW + ZI就是你的程序总共使用的RAM字节数。ZI-data：是（Zero Initialize） 没有初始化的可读写变量的大小，就是程序中用到的变量并且被系统初始化为0的变量的字节数。

Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)这样所写的程序占用的ROM的字节总数，这部分在我们进行程序下载的时候，会全部存储在SMT32的Flash中。

当系统上电后，内核会将一部分数据存搬运到RAM当中，因为我们定义的很多变量是可读取的，所以要放到RAM中。这其中包括RW-data和ZI-data。对于RW-data，需要一点一点的搬运过去，既然是搬运，那么在FLASH中本来就会存储一份，所以RW-data会占用Flash空间。而对于ZI-data，由于它没有初始化，所以它的初始值无所谓，所以我们只需要知道它的个数，在RAM中直接画一片地方给他用就行了，因此ZI-data无需单独在Flash中存储一份。我们所说的堆栈，就在上述执行过程中同样的被画了一块自留地。

三，SMT32的堆栈自留地

那么在STM32的RAM中，堆栈是如何量取确定的呢？我们先看一张图：

上图中指示了STM32的RAM区域存储结构，下面是低地址，上面是高地址。编译器在编译和链接后，是可以计算出全局变量，局部变量以及一些未初始化的全局变量所占用空间的，我们把这个总和计算出来，现在RAM上画一片地方来存放，也就是上图的静态存储区域。然后我们再画一片自留地给到定义好的HEAP区域，最后画一片给到STACK，也就是我们说的栈。我们在代码中看一下如何定义的。我手头有一个CW32的例程，用这个来示意一下。在项目中的startupxx.s文件中，用汇编定义了堆和栈的大小。

如果我们不使用malloc进行动态分配内存，那么这里的Heap_Size完全可以定义为0，不过编译器直接把这个事给干了，也就是说，如果它发现你没有使用malloc，编译器会直接移除这部分空间，可以在例程编译生成的map文件中看到。

所以，没必要手贱的去改这个汇编文件。再说RAM空间的堆叠方式，它是先放的静态变量，然后放的堆空间（编译器会优化掉），最后放的栈空间，所以只要我们改变栈空间大小，那么栈顶指针就会变化。实验一下吧。

接下来，我们把栈改大一倍，编译看看，栈顶地址是不是相应的变大了

是不是？童叟无欺！那么，如果我们增加静态存储区的大小，这个栈顶地址应该也会改变。如何增加静态存储区大小呢？定义一个全局变量就好了。记得把编译器的优化等级去掉哦，不然编译器会偷偷把你没用的变量啥的都给你移除掉，实验就没效果了。

我注释掉了一个4字节的数组，栈的大小也改回了0x200，编译后，我的栈顶地址变成了0x20000e60。接下来，我把注释打开，增加一个4字节的数组。

我们可以看到，栈顶地址确实增加了，从原来的0x20000e60增加到了0x20000e68。为什么地址一下增加了8呢？于是我有改小了一下数组，重新编译后，栈顶地址又变回了0x20000e60。

有兴趣的朋友研究下，咱们评论区聊聊。