浅谈ARM处理器内存分配

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ARM的体系结构有很多很多介绍的地方，从其7种模式到CPSR状态寄存器，这些都是属于最底层的硬件直接相关的ARM属性，再向上一点，考虑一下在ARM上运行的嵌入式应用，一般称在ARM上直接运行的嵌入式应用为Image就是直接烧进flash运行的可执行文件，这种可执行文件是由IAR,ADS,ARM-EABI-GCC等编译器经过编译所直接生成的。由于没有操作系统的支持，这种镜像文件是需要自己管理底层存储空间的分配的。这里我主要说一下关于Image镜像与ROM,RAM的关系。首先在ARM上电启动时Image是在ROM中的，这就有问题了，我们知道，程序是由指令与数据共同组成的，指令可以放在ROM中，但数据变量必须放在RAM中才能够运行啊，可ARM上电时RAM空间是清空的啊，这就产生一个问题，变量数据是怎么进到RAM中的，由谁来做的。介绍一下ARM程序中各种标志，在ARM中有CODE,READONLY DATA, READWRITE DATA, ZI,他们分别表示

CODE:ARM 指令，

READONLY DATA指只读数据，如const int tst = 1;

READWRITE DATA可读写数据，就是我们常说的变量，已经被初始的变量才是READWRITE DATA。如 int tst = 2;

ZI:Zero Init数据，就是不初始化，或者用0初始化的变量。

在IAR,ADS等开发工具中，其配置文件中需要为编译后的镜像指定各段所在的地址空间，由可读写属性上可以主要分为

READONLY 包括CODE,READONLY DATA

READWRITE 包括READWRITE DATA,ZI。

了解了这些基础知识后，回到最初的问题，ARM的Image就是由上面所说的各个段组成的，那在只读的ROM空间，如何将READWRITE的数据放入RAM中的那，在代码中我们并没有作这些事啊。其实，这部分工作是由Image自动进行的不需要认为干预，在启动时，Image自动将数据拷贝到RAM中，这里还要强调一下，拷贝的只是READWRITE变量，对ZI的变量，直接将所在内存段清0即可，无需拷贝。

在编写嵌入式程序过程中，需要重点将存储空间中各段位置考虑好，在进行Image的编译，Image起始地址必须是0x00，或者CPU指定的运行地址，重点是分配各个特殊状态的STACK空间，以及用于动态分配的HEAP空间。在IAR中有关于 initialize by copy/manule的指令，就是用来将RW数据段拷入RAM中的，这里一定要将RW拷入，否则会导致运行错误。

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ARM映像文件的组成
所谓ARM映像文件就是指烧录到ROM中的bin文件，也称为image文件。以下用Image文件来称呼它。
Image文件包含了RO和RW数据。
之所以Image文件不包含ZI数据，是因为ZI数据都是0，没必要包含，只要程序运行之前将ZI数据所在的区域一律清零即可。包含进去反而浪费存储空间。

Q：为什么Image中必须包含RO和RW？
A：因为RO中的指令和常量以及RW中初始化过的变量是不能像ZI那样“无中生有”的。

ARM程序的执行过程
从以上两点可以知道，烧录到ROM中的image文件与实际运行时的ARM程序之间并不是完全一样的。因此就有必要了解ARM程序是如何从ROM中的image到达实际运行状态的。
实际上，RO中的指令至少应该有这样的功能：
1. 将RW从ROM中搬到RAM中，因为RW是变量，变量不能存在ROM中。
2. 将ZI所在的RAM区域全部清零，因为ZI区域并不在Image中，所以需要程序根据编译器给出的ZI地址及大小来将相应得RAM区域清零。ZI中也是变量，同理：变量不能存在ROM中
在程序运行的最初阶段，RO中的指令完成了这两项工作后C程序才能正常访问变量。否则只能运行不含变量的代码。
说了上面的可能还是有些迷糊，RO，RW和ZI到底是什么，下面我将给出几个例子，最直观的来说明RO，RW，ZI在C中是什么意思。
1; RO
看下面两段程序，他们之间差了一条语句，这条语句就是声明一个字符常量。因此按照我们之前说的，他们之间应该只会在RO数据中相差一个字节（字符常量为1字节）。

1. <div align="left">
   
2. Prog1：</div><ul type="1" class="litype_1"><li>＃i nclude <stdio.h></li><li>void main(void)</li><li>{</li><li>;</li><li>}</li><li>Prog2：</li><li>＃i nclude <stdio.h></li><li>const char a = 5；</li><li>void main(void)</li><li>{</li><li>;</li><li>}</li></ul>

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Prog1编译出来后的信息如下：

1. <div align="left"></div>debug<li>948 60 0 96 0 Grand Totals</li><li>================================================================================</li><li>Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)</li><li>Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>================================================================================
   
2. </li>

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Prog2编译出来后的信息如下：

• 1. <li>================================================================================</li><li>Code RO Data RW Data ZI Data Debug</li><li>948 61 0 96 0 Grand Totals</li><li>================================================================================</li><li>Total RO Size(Code + RO Data) 1009 ( 0.99kB)</li><li>Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)</li><li>Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)</li><li>================================================================================</li>

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以上两个程序编译出来后的信息可以看出：
Prog1和Prog2的RO包含了Code和RO Data两类数据。他们的唯一区别就是Prog2的RO Data比Prog1多了1个字节。这正和之前的推测一致。
如果增加的是一条指令而不是一个常量，则结果应该是Code数据大小有差别。
2; RW
同样再看两个程序，他们之间只相差一个“已初始化的变量”，按照之前所讲的，已初始化的变量应该是算在RW中的，所以两个程序之间应该是RW大小有区别。

1. <div align="left">Prog3：</div><ul type="1" class="litype_1"><li>＃i nclude <stdio.h></li><li>void main(void)</li><li>{</li><li>;</li><li>}</li></ul>

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• 1. <div align="left">Prog4：</div><ul type="1" class="litype_1"><li>＃i nclude <stdio.h></li><li>char a = 5；</li><li>void main(void)</li><li>{</li><li>;</li><li>}</li></ul>

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Prog3编译出来后的信息如下：

1. <div align="left"></div><ul type="1" class="litype_1"><li>================================================================================</li><li>Code RO Data RW Data ZI Data Debug</li><li>948 60 0 96 0 Grand Totals</li><li>================================================================================</li><li>Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)</li><li>Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>================================================================================</li></ul>

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Prog4编译出来后的信息如下：

1. <div align="left"></div><ul type="1" class="litype_1"><li>================================================================================</li><li>Code RO Data RW Data ZI Data Debug</li><li>948 60 1 96 0 Grand Totals</li><li>================================================================================</li><li>Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)</li><li>Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)</li><li>================================================================================</li></ul>

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可以看出Prog3和Prog4之间确实只有RW Data之间相差了1个字节，这个字节正是被初始化过的一个字符型变量“a”所引起的。
3; ZI
再看两个程序，他们之间的差别是一个未初始化的变量“a”，从之前的了解中，应该可以推测，这两个程序之间应该只有ZI大小有差别。

1. <div align="left">Prog3：</div><ul type="1" class="litype_1"><li>＃i nclude <stdio.h></li><li>void main(void)</li><li>{</li><li>;</li><li>}
   
2. </li></ul>

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• 1. <div align="left">Prog4：</div><ul type="1" class="litype_1"><li>＃i nclude <stdio.h></li><li>char a；</li><li>void main(void)</li><li>{</li><li>;</li><li>}</li></ul>

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Prog3编译出来后的信息如下：

1. <div align="left"></div><ul type="1" class="litype_1"><li>================================================================================</li><li>Code RO Data RW Data ZI Data Debug</li><li>948 60 0 96 0 Grand Totals</li><li>================================================================================</li><li>Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>Total RW Size(RW Data + ZI Data)96 ( 0.09kB)</li><li>Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>================================================================================</li></ul>

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Prog4编译出来后的信息如下：

1. <div align="left"></div><ul type="1" class="litype_1"><li>================================================================================</li><li>Code RO Data RW Data ZI Data Debug</li><li>948 60 0 97 0 Grand Totals</li><li>================================================================================</li><li>Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)</li><li>Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)</li><li>================================================================================</li></ul>

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编译的结果完全符合推测，只有ZI数据相差了1个字节。这个字节正是未初始化的一个字符型变量“a”所引起的。
注意：如果一个变量被初始化为0，则该变量的处理方法与未初始化华变量一样放在ZI区域。
即：ARM C程序中，所有的未初始化变量都会被自动初始化为0。