或许我们平时大多数学习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,所以本文在这里给大家介绍一下,C语言在单片机中是如何执行的。
Part1CPU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)。
本文以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(RISC:Reduced Instruction Set Computing),它所用的指令比较简单,有如下特点:
- 对内存只有读、写指令;
- 对于数据的运算是在CPU内部实现;
- 使用RISC指令的CPU复杂度小一点,易于设计。
比如对于a=a+b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?a+b的结果又保存在哪里?
如上图所示,CPU也是由多个部分组成的,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,第二步读取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,它俩和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 FFFF
,SRAM
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
,它只是被动地在执行代码。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。
1.1 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。
1.2 SRAM(内存)
1.2.1 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在这里无法演示现象。
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sp+4
和sp+0
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。
1.2.2 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。
在本文最前面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a,b,c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。
1.2.3 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,在此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。
图
全局数组buffer
的地址是0x2000 0010
,排在a,b,c,index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
在此就不写了,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 0000
,SRAM
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
,本文将其改成了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
,本文成功地修改了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。
Part2变量的初始化
- 变量:能改变的量,它一定在内存上占据空间,
2.1 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,所以必须取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r1
,PC
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。
2.2 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。
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。
Part3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做中间人,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。
Part4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,从汇编处可以看出,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*pa
,CPU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。
Part5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 age,char sex,int 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 18
,0x0000 00001
,0x0000 0064
,对应着24,1,100。
- 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 weight
,char kg
和int g
两种类型的变量共用这一个空间。而且可以看到,weight
,kg
,g
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
。
Part6总结
如上图便是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。
-
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