c - 嵌入式系统中的内存分配

Question

Linux/Unix 系统通常运行在 x86 CPU 架构上，它提供了一个内存映射的 MMU，但我猜嵌入式系统缺少这个，所以没有 malloc 和 free。

我看到 ES 程序员可以创建一个大的静态缓冲区来预留内存:

unsigned char mem[10240];

但我想知道它是如何工作的，缓冲区究竟从哪里开始，以及 C 编译器如何将变量定义映射到某些平台上的实际内存位置。

我在 ES 头文件中也看到过这样的常量(从 ARM STM32L1xx 中提取):

#define SRAM_BASE ((uint32_t)0x20000000) /*!< SRAM base address in the alias region */

我知道 SRAM 代表“静态”RAM，但“基地址”是指保留给堆/堆栈访问的内存区域的开始，因此程序员可以使用指向该基地址的指针分配和释放 RAM block 和 block 的链接列表？

Answer 1

嵌入式系统是一个非常宽泛的术语。它可能意味着没有操作系统的微 Controller 或带有操作系统的“普通”计算机。

一些例子:

• uC 读取传感器并控制通过管道的水流。
• Raspberry Pi 在 Linux 下运行控制无人机(它嵌入到无人机中)
• 控制激光切割机的PC电脑。
• 射电望远镜系统中的大型计算机

所以你的问题没有唯一的答案。

uC 的编程方式与无人机中使用的 RPi 完全不同。

但您的问题可能与我认为的 uC 系统有关。

uC 系统通常编程有时被称为“裸机”，因为程序员在他们的应用程序和实际硬件之间没有直接的软件(抽象层)。所以他们直接访问内存、硬件寄存器和其他资源。甚至裸机开发中使用的操作系统(称为 RTOS-es)甚至与 Linux 或 Windows 等普通操作系统都不相似。它们是与裸机应用程序链接在一起的更多库，仅提供任务管理和通信、同步和数据交换的机制。

你在评论中提出的一些问题

DMA - 直接内存访问 - 允许在不使用处理器内核的情况下在内存和外围设备或内存之间传输数据。一些 uC 具有非常复杂的 DMA 和事件系统 - 例如，定时器溢出可以触发 ADC，ADC 触发 DMA 传输，将转换后的数据存储到内存中。

Linker Script - 定义在内存中存储的内容、方式和位置。它们可能非常复杂并指示代码或数据包含或排除，以及如何组织程序内存。下面是 STM32 系列 uC 的链接器脚本示例

/* Entry Point */
ENTRY(Reset_Handler)

_estack = 0x10004000;    /* end of RAM */

/* Generate a link error if heap and stack don't fit into RAM */
_Min_Heap_Size = 0x100;      /* required amount of heap  */
_Min_Stack_Size = 0x1000; /* required amount of stack */

/* Specify the memory areas */
MEMORY
{
RAM (xrw)      : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 64K
CCMRAM (rw)      : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 16K
FLASH (rx)      : ORIGIN = 0x8000000 + 32K, LENGTH = 512K - 34K
}

_FLASH_SIZE = LENGTH(FLASH);

/* Define output sections */
SECTIONS
{
  /* The startup code goes first into FLASH */
  .isr_vector :
  {
    . = ALIGN(4);
    _vectors_start = .;
    KEEP(*(.isr_vector)) /* Startup code */
    . = ALIGN(4);
    _vectors_end = .;
  } >FLASH

  .sizedata :
  {
    . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.sizedata))
    KEEP(*(.sizedata*)) 
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH  

    .flashdata :
  {
    . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.rodata))         /* .rodata sections (constants, strings, etc.) */
    KEEP(*(.rodata*))       /* .rodata* sections (constants, strings, etc.) */
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH

  /* The program code and other data goes into FLASH */
  .text :
  {
    . = ALIGN(4);
    *(.text)           /* .text sections (code) */
    *(.text*)          /* .text* sections (code) */
    *(.glue_7)         /* glue arm to thumb code */
    *(.glue_7t)        /* glue thumb to arm code */
    *(.eh_frame)

    KEEP (*(.init))
    KEEP (*(.fini))

    . = ALIGN(4);
    _etext = .;        /* define a global symbols at end of code */
  } >FLASH

  /* Constant data goes into FLASH */
  .rodata :
  {
    . = ALIGN(4);
    *(.rodata)         /* .rodata sections (constants, strings, etc.) */
    *(.rodata*)        /* .rodata* sections (constants, strings, etc.) */
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH




  .ARM.extab   : { *(.ARM.extab* .gnu.linkonce.armextab.*) } >FLASH
  .ARM : {
    __exidx_start = .;
    *(.ARM.exidx*)
    __exidx_end = .;
  } >FLASH

  .preinit_array     :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_start = .);
    KEEP (*(.preinit_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_end = .);
  } >FLASH
  .init_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_start = .);
    KEEP (*(SORT(.init_array.*)))
    KEEP (*(.init_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_end = .);
  } >FLASH
  .fini_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_start = .);
    KEEP (*(SORT(.fini_array.*)))
    KEEP (*(.fini_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_end = .);
  } >FLASH


  /* used by the startup to initialize data */
  _sidata = LOADADDR(.data);
   _ROMEND = .;


  /* Initialized data sections goes into CCMRAM, load LMA copy after code */
  .data : 
  {
    . = ALIGN(4);
    _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */
    *(.data)           /* .data sections */
    *(.data*)           /* .data sections */
    . = ALIGN(4);
    _edata = .;        /* define a global symbol at data end */
  } >CCMRAM AT> FLASH

   _ROMSIZE = _ROMEND - ORIGIN(FLASH) + _edata - _sdata;

  _siccmram = ORIGIN(CCMRAM);
    _sconfig = _ROMSIZE;
  _econfig = _sconfig + 2K;
    .bss :
  {
    /* This is used by the startup in order to initialize the .bss secion */
    _sbss = .;         /* define a global symbol at bss start */
    __bss_start__ = _sbss;
    *(.bss)
    *(.bss*)
    *(COMMON)

    . = ALIGN(4);
    _ebss = .;         /* define a global symbol at bss end */
    __bss_end__ = _ebss;
  } >CCMRAM

  /* RAM section 
  */

      /* Uninitialized data section */
   .dummy :
   {
   . = ALIGN(4);
   *(.dummy)
   *(.dummy*)
   . = ALIGN(4);
   } > RAM AT > FLASH

  .ram :
  {  
    . = ALIGN(4);
    _sram = .;       /* create a global symbol at ccmram start */
    *(.ram)
    *(.ram*)   
    . = ALIGN(4);
    _eram = .;       /* create a global symbol at ccmram end */
  } >RAM 

  /* User_heap_stack section, used to check that there is enough RAM left */
  ._user_heap_stack (NOLOAD):
  {
    . = ALIGN(8);
    PROVIDE ( end = . );
    PROVIDE ( _end = . );
    . = . + _Min_Heap_Size;
    . = . + _Min_Stack_Size;
    . = ALIGN(8);
  } >CCMRAM



  /* Remove information from the standard libraries */
  /DISCARD/ :
  {
    libc.a ( * )
    libm.a ( * )
    libgcc.a ( * )
  }


  .ARM.attributes 0 : { *(.ARM.attributes) }
}

MMU - 一些 uC 有内存管理单元 - 但通常这个外设只保护一些内存区域。由于您没有操作系统，因此您也没有文件系统 - 因此不存在像 mmap 这样的东西。

  #define SRAM_BASE ((uint32_t)0x20000000)

它仅以人类可读的形式定义某物的地址。在这种情况下，它可能只是 SRAM 存储器的起始地址。另一个例子:

#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000U)
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x00010000U)
#define SPI1_BASE             (APB2PERIPH_BASE + 0x00003000U)
#define SPI1                ((SPI_TypeDef *) SPI1_BASE)