临海企业网站设计,代还app开发公司,服装店网站模板,潍坊方圆网站建设#x1f431;作者#xff1a;一只大喵咪1201 #x1f431;专栏#xff1a;《RTOS学习》 #x1f525;格言#xff1a;你只管努力#xff0c;剩下的交给时间#xff01; 本喵默认各位小伙伴都会C语言#xff0c;我们平时学习C语言都是在Windows环境下学习的#xff0… 作者一只大喵咪1201 专栏《RTOS学习》 格言你只管努力剩下的交给时间 本喵默认各位小伙伴都会C语言我们平时学习C语言都是在Windows环境下学习的对于程序执行的底层逻辑了解的不是非常清楚本喵在这里给大家介绍一下C语言在单片机中是如何执行的。 单片机中的C语言 CPU与外设FlashSRAM(内存)栈数据段堆 变量的初始化局部变量全局变量和静态变量 函数指针变量结构体和联合体总结 CPU与外设
我们知道单片机也是有CPU的它负责执行代码运算数据以及发出控制信号等功能而与CPU直接相连的设备我们称之为外设(就是集成芯片)。
本喵以STM32F103ZET6为例来讲解该芯片使用的是ARM架构该架构采用的是哈弗结构。 哈弗结构内存和外设统一编址。 ARM芯片属于精简指令集计算机(RISCReduced Instruction Set Computing)它所用的指令比较简单有如下特点
① 对内存只有读、写指令。
② 对于数据的运算是在CPU内部实现。
③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点易于设计。
比如对于aab这样的算式需要经过下面4个步骤才可以实现 细看这几个步骤有些疑问a的值读出来后保存在CPU里面哪里b的值读出来后保存在CPU里面哪里 ab的结果又保存在哪里 如上图所示CPU也是有多个部分组成的包括ALU逻辑运算单元控制单元以及多个寄存器等等。
假设变量a的地址是0x12变量b的地址是0x34第一步的汇编代码LDR R0, [a]的意思就是将0x12地址中的值读取到R0寄存器中第二部读取b变量同理。 LDR 第一操作数 第二操作数就是将第二操作数的值赋第一操作数。 当变量a和变量b都被读到了CPU的寄存器中后执行第三步汇编代码ADDR R0, R0, R1意思是将R0和R1中的值相加然后将结果保存到R0中。 ADD相加的汇编指令可以有三个操作数也可以有两个操作数三个操作数则后两个操作数相加得的结构均保存到第一个操作数。 最后就是将R0中的计算结果再写回到内存中执行第四步汇编代码STR R0,[a]意思是将R0中的值写入到变量a的地址处0x12。 如上图所示由于有32根地址线所以CPU可访问的地址范围就是0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF就拿我们熟知的Flash和SRAM来说它两和CPU直接相连所以也可以看成是外设。 Flash用来存放用户烧录的程序掉电数据不丢失(硬件特性)。SRAM用来存放程序执行过程中的临时数据掉电数据丢失。 Flash的地址范围是0x0800 0000 ~ 0x0807 FFFFSRAM的地址范围是0x2000 0000 ~ 0x2000 FFFF这是我们根据上面的图才知道的。
但是对于CPU而言它并不知道哪里是FLASH哪里是SRAM它只是被动的在执行代码。CPU在一上电以后就从0x0000 0000处开始执行代码(可以进行设置以后再讲解)直到调用了我们C代码中必须有的main函数然后进入我们自己的逻辑当中。
Flash 如上图启动文件所示CPU会通过BL汇编语句来调用main函数但是在这之前还会执行LDR汇编语句来给栈顶指针SP赋值。 BL跳转指令也就是让程序跳转到指定位置处执行相当于函数调用。 我们知道代码最终会被转换成机器码让CPU去执行而存放这些机器码也需要空间所以代码也是有地址的。 如上图所示无论是调用main函数之前的汇编代码还是main函数的代码它们的地址都是0x0800 0xxx距离FLASH的起始地址0x0800 0000不是很远说明我们烧录到单片机中的代码就是存放在FLASH中的。 无论是main中的代码还是前面的汇编代码只要是从FLASH起始处开始的都属于我们程序员写的代码。芯片厂家在FLASH起始地址之前固化了一些代码这个暂不作说明。 SRAM(内存)
栈
当main执行起来以后运算数据得到的临时结果或者中间数据就都会暂存到SRAM上也就是我们平常所说的内存中。 如上图所示在使用BL调用main函数之前还使用了LDR给栈顶指针SP赋了初值红色箭头指向的位置就是栈顶指针指向的位置。
代码中的局部变量函数栈帧等等数据全部都存放在SP开始往下的位置因为栈的开辟是从高地址向低地址。 如上图所示在main函数中创建两个变量a和b加volatile的作用是防止编译器将这两个变量优化掉导致本喵无法演示现象。 main函数也是被调用的所以在其内部创建的变量也属于局部变量局部变量就统统存放在栈上。 汇编代码中在创建变量a之前先执行了一句PUSH {r2-r3,lr}汇编语句意思是将寄存器lr寄存器r2和r3中的值压入栈中。 lr寄存器存放的是函数的返回地址其实就是CPU中的r15寄存器。PUSH执行压栈操作将数据压入到栈中后栈顶指针向下移动。 此时向栈中压入了三个个数据每个数据都是4字节的所以SP向下移动了12个字节这12个字节就可以看作当前main函数的栈帧大小。 如上图当执行到给变量a赋值1时执行了汇编代码MOVS r0,#0x01表示将数值1赋值给寄存器r0。然后再执行汇编代码STR r0,[sp,#0x04]表示将寄存器r0中的值写入到sp 0x04地址处。 MOVS将后一个操作数赋值给前一个操作数。 给变量b赋值2的时候原理同上。所以此时在内存中就存在了1和2两个值分别存在于sp4和sp0的位置处后面用到变量a和b的时候也是通过栈顶指针sp来找这两个值。
在这个过程中我们发现寄存器r2和r3的的作用就是占坑现在栈中给变量a和b占两个位置等到STR赋值的时候将这两个位置覆盖即可。 那如果我创建100字节大小的数组呢难道用100个寄存器来占坑吗显然不可能CPU一共也没那么多寄存器。 如上图所示创建100字节大小的数组先开辟100个字节大小的栈空间执行汇编语句SUB sp,sp,#0x64表示用当前的sp值减去0X64(100的16进制)将结果再赋值到sp中。 SUB用法和ADD相似只是作用是后两个操作数做减法得到的结果赋值给第一个操作数。 此时在SRAM(内存)上就存在一个100字节大小的栈用来存放这个str数组此时它不使用占坑的方式了而是直接改变SP的值来改变栈区的大小。 数据段 如上图所示创建两个全局变量a和b还有一个静态变量c在调试窗口中可以看到变量a的地址是0x20000 0000变量b的地址是0x20000 0004变量c的地址是0x2000 0008这三个变量紧挨着。 在C语言学习中我们知道全局变量和静态变量是存放在数据段的。先忽略为什么它们的初始值都是0这个问题。 在最前面本喵放了一张内存地址映射图其中SRAM的地址范围是0x2000 0000 ~ 0x20000 FFFF也就是说内存的起始地址就是0x2000 0000而变量abc从起始位置开始存放所以说这个位置就是数据段起始位置。 如上图所示当给变量a赋值时先执行MOVS r0,#0x01将数值1赋值给寄存器r0然后执行LDR r1,[pc,#20]语句表示从PC 20的地址处读取数据放入到寄存器r1中。 PC程序计数器实际上就是CPU寄存器中的R15它存放程序的地址其值永远是当前语句的下一条语句的地址。CPU会根据PC值去执行对应的指令。 PC 20的值是0x0800 0016C这是一个Flash处的地址而该地址处的值是0x0000由于LDR一次取四个字节的数据所以要连0x0800 0016E处的值0x2000也要读走两个值按照大端存储模式复原(高地址存放高字节序)得到的值就是0x2000 0000。
所以此时寄存器r1中的值就是0x2000 0000再执行STR r0,[r1,#0x00]汇编语句将r0中的1写入到0x20000 0000处也就是数据段变量a的地址处此时就成功改变了它的值。 堆 如上图整个SRAM上栈占用一部分空间它的大小随着的SP的变化而变化数据段占用一部分空间但是还没有全部使用完毕还有剩余的空闲空间堆就建立在这部分空间上。 堆空间的大小并不会发生变化它就是一块固定大小的空间用户可以去申请使用用完了还必须归还。 所以可以用一个大的全局数组来管理这块空间因为全局数组存放在数据段它的大小并不会随着SP的变化而变化从而堆空间的大小也不会变化。 虽然叫做堆但是这部分空间仍然属于数据段只是提供了接操作这部分空间的接口。 如上图所示本喵定义了一个全局数组char buffer[500]来充当堆还有一个全局的index用来记录堆的使用情况又实现了一个mymalloc用来向堆区申请空间。 全局数组buffer的地址是0x2000 0010排在abcindex后面第一次mymalloc以后得到的地址是0x2000 0010大小是100个字节第二次mymalloc以后得到的地址是0x2000 0074地址相差0x64也就是100说明这是在第一次申请的基础上再次申请的。index的值是0x12C也就是300说明一共申请了300个字节的空间。
自定义的释放函数myfree本喵就不写了各位小伙伴可以自行尝试。所以说堆本质上就是就是一块空闲内存可以使用malloc/free函数来管理它。 为什么Flash的起始地址就是0x0800 0000SRAM的起始地址就是0x2000 0000不能是别的吗 如上图所示在MDK中连接器选项中R/O Base是Flash基地址用来设置Flash的起始地址R/W Base是SRAM基地址用来设置SRAM的起始地址。
下面蓝色框中的是连接器控制信息里面的内容是我们程序员写的目的是告诉连接器要做什么。
默认情况下红色框中的SRAM起始地址是0x2000 0000本喵将其该成了0x2000 8000来看一下会发生什么 如上图所示此时代码里只有一个全局变量a它位于数据段的起始位置也就是SRAM的起始位置其地址是0x2000 8000本喵成功的修改了SRAM的起始地址。
Flash的地址也是同理也可以通过连接器R/O Base进行修改。
变量的初始化 变量能改变的量它一定在内存上占据空间 局部变量 如上图所示在main函数中创建了局部变量a并赋值0x11223344创建了局部变量b并赋值0x11。在汇编代码中首先移动SP由于只有两个变量所以压栈r2和r3来占位。
初始化变量a的时候先执行LDR r0,[pc,#12]汇编语句取地址为0x0800140的Flash中取值读取了该地址及下个地址供四个字节数据0x11223344赋值给寄存器r0。然后再执行STR r0,[sp,#0x04]汇编语句将r0中的0x11223344赋值给变量a所在处。
初始化变量b的时候先执行MOVS r0,#0x11汇编语句直接将立即数#0x11赋值给寄存器r0然后再执行STR r0,[sp,#0x00]汇编语句将r0中的0x11赋值给变量b所在处。 两个局部变量的初始化过程并不一样初始值为4字节的变量需要去Flash中取初值初始值为1字节的变量直接就给赋值了。 指令也是有大小的如0x08000132 4803 LDR r0,[pc,#12]中0x08000132是代码所在的Flash地址4803是代码汇编之后的机器码大小是2字节(CPU执行的是机器码汇编语句是为了方便我们看的剩下的就是汇编语句)。
对于初始值为0x#11的初始化两个字节的指令足够容纳一个字节的初值所以直接就赋值初始化了。
对于初始值为0x11223344的初始化两个字节的指令无法容纳四个字节的初值所以必需取Flash中取初值到寄存器中然后再进行赋值。 如上图创建一个char buffer[500]数组全部用1初始化使用BL.W指令跳转到__aeabi_memclr4处进行初始化相当于调用了一个函数来初始化这个数组这个函数是由编译器生成的也是一堆汇编语句这里本喵暂不做介绍。 如上图当main函数执行完执行了return 0以后会执行POP {r2-r3,pc}汇编语句将前面压栈时向下生长的空间回收也就是SP向上移动。 POP出栈操作将栈中的数据弹出并且SP栈顶指针向上移动。 此时原本存放变量a和b的空间就位于栈外面了原本的值弹出给了r0和r1PC拿到函数的返回地址lr。
虽然a和b的内存空间还存在但是已经不再被维护了当有新的局部变量需要栈的时候SP会重新向下移动并且使用新的值覆盖掉这部分空间。
全局变量和静态变量 如上图所示定义两个全局变量a和b初始值分别为10和20定义一个全局静态变量初始值为30定义一个局部静态变量初始值为40当程序执行到main中时通过调试窗口看到它们的值都是0并没有被初始化。 如上图在启动文件中使用BL跳转到main函数之前需要先跳转到copy函数将全局变量的初始值全部复制到对应数据段的地址。但是这里本喵并没有实现copy函数所以全局变量没有被初始化。 全局变量的初始值是存放在Flash中的注意是只存放初始值不存放变量名因为CPU执行的是机器码机器码中并没有变量名这么一说。 copy函数的实现本喵在以后会详细介绍。 如上图仍然是这四个变量但是在定义都是时候都没有给初始值没有进行初始化但是在调试窗口看到它们的值仍然是0。 对于没有初始值的数据段变量在编译的时候编译器会用0将这些变量初始化也就是将对应地址写0。 相当于会调用一个memset函数将这部分变量全部初始化为0。这些变量处于数据段的未初始化数据段而前面有初始值的处于已初始化数据段。 如上图所示便是整个数据段的内存示意图。 在STM32F103中代码是在FLASH中运行的并不会加载到内存中而且代码和数据段的初始值是混合存放在Flash中的。
函数 如上图所示Add函数其实就是8条汇编指令调用函数就是让CPU的PC寄存器等于8条指令的首地址也就是函数地址。 如上图main函数开辟一次栈SP位于上图红色位置栈里有变量a和b以及main函数的返回地址lr。
在调用Add函数的时候会再压一次栈SP位于上图绿色位置这次压入了Add函数的返回地址lr以及形参v再执行SUB语句为局部变量a开辟空间SP位于上图蓝色位置。 函数传参通过寄存器r0实现在PUSH的时候r0中已经有了实参然后将实参压入调用函数的栈中成为形参。 然后执行LDR和STR将形参的值拿到局部变量a中再进行加一操作操作完毕后将结果再度写入到形参v的位置当函数返回时执行LDR将运算结果存入r0寄存器中然后POP出栈操作SP重新位于上图红色位置。 函数返回值的时候同样通过r0实现SP虽然向上移动了但是r0中有返回值。 调用函数结束后执行STR将r0中的运算结果写入到变量b。 如上图main函数在调用Add_Sum函数的时候一次传入了八个变量赋了初值以后将其中的四个变量交给了寄存器r3-r7然后执行STM sp,[r8-r11]将剩下的四个变量继续压栈。 STM一次存储多个寄存器中的值到指定位置。 在执行Add_Sum函数的时候执行LDM r5,[r5-r7,r12]从栈中将后四个变量取出来再与寄存器r3-r7中的四个值一起求和最后将结果返回。 LDM一次读取多个值到多个寄存器中。 调用函数时如果传入的变量比较多或者是数组的话由于没有那么多的寄存器可以作中间人所以会将这些变量继续压入调用方的栈中被调用函数在用的时候从调用方的栈中拿走进行拷贝。
这就是为什么我们在函数中改变形参并不影响实参的原因因为在函数中形参是实参的拷贝它位于函数的栈中调用方的栈并不受影响。
指针变量 如上图创建了一个int类型的变量一个char类型的变量一个int* 类型的变量一个char* 类型的变量从汇编出可以看出指针变量同样要在栈中占用空间只是初始化的时候指针变量赋值的是地址如ADD r2,sp,#0x04就是将栈顶指针向上移动4个字节后的地址赋值给为int* pa变量占坑的r2。 指针变量仍然是变量是变量就要占据内存空间和普通的变量没有区别只是它的值是地址而已。 在访问这两个指针变量时*pa 20执行了STR r0,[r2,0x00]一次给变量a写入四个字节*pb B执行了STRB r0,[r11#0x00]一次给变量b写入一个字节。 STRB存储一个字节数据作用和STR一样只是写入字节是一个字节。 访问不同类型的指针底层会有不同的策略让CPU以对应的视角去操作对应的内存。如*paCPU就会认为它现在访问地址处的变量是一个int类型而不是一个char类型。 如上图创建函数指针变量int(*pf)(volatile int)将函数Add地址赋值给变量pf。执行LDR r4,[pc,#12]到Flash的0x0800 0158处取函数地址为0x0800 0131。
但是我们看到函数的8条指令的起始地址是0x0800 0130与r4中取到的函数地址相差1这是因为在0x0800 0158处存放的0x0800 0131代表两层意思。 函数地址的最低位为1表示该函数使用的是Thumb指令集这个1和实际地址没有关系。该值减去1才是真正的函数起始地址也就是0x0800 0130。 无论什么类型的指针变量它里面存放的都是相应变量的首地址包括函数指针变量再通过策略决定CPU读写该首地址后面几个字节。
结构体和联合体 如上图创建一个局部结构体变量有三个成员变量int agechar sexint score并且给它们初始化。先执行LDR拿到在Flash中存放初始值的地址0x0800 0144到r2中然后再执行LDM从初值起始地址开始读取初值0x0000 180x0000 000010x0000 0064对应着241100。 结构体初始化时初值存放在Flash中需要读取到寄存器中然后再赋值给结构体各个成员。 通过调试窗口查看三个成员的地址发现成员之间的地址相差4个字节其中int age和int score是四字节变量占用4个空间但是char sex是一字节变量也占用四个空间。
如上图中SRAM示意图所示此时sex的四个字节中只用了一个字节浪费了三个字节。 为了提高结构体的访问效率结构体变量在存放时会进行内存对齐。 如上图数据线和地址线都是32位的也就是4字节除此之外还有四根控制线be0,be1,be2,be3。无论是访问还是写入CPU一次操作都是四个字节的内存。
当be0有效时CPU操作4个字节中第1个字节的空间be1有效就操作第2个字节的空间be2有效就操作第3个字节的空间be3有效就操作第4个字节的空间。
如果操作的是第一个4字节中的3个字节和第二个4字节的1个字节组成的四字节空间CPU就需要操作两次第一次操作时be1,be2,be3有效第二次操作时be0有效最后组合得到需要的数据。
采用结构体内存对齐方案虽然char sex浪费了三个字节的空间但是在操作int score的时候可以一次性操作完毕不需要第二次。 结构体对齐利用了以空间换时间的思想。 如上图创建一个位段结构体成员age和sex都只占用int的32个比特位中的1个比特位成员score占4个字节32个比特位。
先执行LDR取数据然后执行BIC r0,r0,#0x01将r0中的32个比特位的第一个比特位清0然后再执行ADDS r0,r0,#1让第一个比特位的值成为1此时给int age:1初始化完成。 BIC清除指定比特位让该位为0。 同理再给int sex:1初始化为1也就是让32个比特位中的第二个比特位为1。此时还剩下30个比特位被浪费掉了下一个int score占用完整的32个比特位同样是为了提高效率。 如上图结构体中又增加了一个联合体成员union weightchar kg和int g两种类型的变量共用这一个空间。而且可以看到weightkgg三者的地址都是0x2000 FFF8。
在给成员kg赋值80的时候整个weight空间的值是0x0000 0050在给成员g赋值的时候整个weight空间的值是0x0001 3880。操作char类型成员只改变4个字节中的一个字节操作int类型成员则4个字节全部改变。
对应的汇编代码中操作char成员使用的是STRB操作int成员使用的是STR。
总结 如上图便是本喵在这篇文章中讲解的ARM架构部分模型以及常用C语言知识在ARM架构中是如何体现的。
程序在经过预处理编译汇编最后再经过连接器分配地址形成.axf.bin或者.hex等类型的文件这几种文件中的内容全部都是机器码。
将最终的机器码烧录到单片机中单片机一上电就开始执行这些机器码执行过程中是没有编译器电脑系统的参与的无论是变量的定义初始化还是内存空间的分配你还能说是自动完成的吗
所以说当程序在单片机中开始运行的时候它的一切就早被安排好了就是按照本喵前面所讲述的去安排设计的CPU只需要按照机器码执行即可。 其中地址的分配主要是由连接器完成。
