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RT-Thread中堆和栈怎么跟单片机内存相联系

news 来源：原创 2025/7/20 22:06:28

现在RT-Thread+MCU的应用方式越来越普遍，RT-Thread需要配置MCU中的RAM到的系统中，进入系统内存管理，才能提供给基于实时系统的应用程序使用，比如给应用程序提供malloc、free等函数调用功能。在嵌入式软件开发中，我们经常会提到堆和栈，实际上堆和栈都是RAM上的物理内存空间，只是使用方式不同而已。栈和堆都是单片机RAM中一段连续的存储空间，该段空间一般在启动文件或链接脚本中指定，最后在C库的_main函数中进行初始化。STM32中的堆栈内存空间分配就在启动文件中完成:

栈（STACK）：由编译器自动分配和释放
堆（HEAP）：有的地方也叫堆栈，一般由用户自行分配和释放，因此在分配好使用完成后要及时释放内存，否则会导致系统可用的内存越来越少，我们管这种情况叫做内存泄漏
使用MDK5进行STM32项目开发时，当点击全部编译后会在Build Output窗口生成如下信息：

那么这些信息究竟是代表什么意思？
Code：代码段，存放程序的代码部分
RO-Data：只读数据段，存放程序中定义的常量
RW-Data：读写数据段，存放初始化为非0值的全局变量
ZI-Data：0数据段，存放初始化为0的全局变量或未初始化的全局变量（程序运行时会对未初始化的全局变量自动清0）需要注意的是，启动文件中定义的STACK和HEAP内存空间都是被包含到ZI-Data中的，如下图片可对比说明：

当STACK空间大小设置为0x2000时ZI-Data空间大小为129836Byte，设置为0x1000时ZI-Data空间大小为125740Byte。129836-125740 = 4096 = 0x1000，因此可以说明栈空间是被包含在ZI-Data中的。将HEAP空间大小由0x2000设置为0x1000时，ZI-Data空间大小由129836变为125740，129836-125740 = 4096 = 0x1000，因此可以证明堆空间是被包含在ZI-Data中的。

在工程编译完成后也会生成的对应.map文件，.map文件中详细描述了各个函数在ROM中的存储地址和大小，也可以看到程序中定义的全局变量、全局数组、常量等在RAM中的存储地址和大小，因此.map文件是非常重要的一个文件。在生成的.map的最后几行，也可以看到如下信息：

那么这些信息究竟是代表什么意思？
RO Size：程序在ROM中的存储大小，包括Code段和RO-Data段
RW Size：程序运行时占用RAM空间的大小，包括RW-Data段和ZI-Data段
ROM Size：程序烧写到ROM上时占用的空间大小，包括Code段和RO-Data段、RW-Data段（这里不包含ZI-Data段是因为ZI-Data段全部是0，将其存储在ROM中毫无意义，因此只需记录ZI-Data段占用的内存空间，在程序运行时在RAM上开辟对应大小的内存空间并将该区域清0即可）

const int ci_max_len = 100; //RO段
static int si_loop_time = 300; //RW
char *p1; //ZI
int main(void)
{
int i = 0; //STACK
char c_say_a[] = "hello world"; //c_say_a存储于STACK，"hello world"存储于RO
char *p= &s[0]; //STACK
static int si_i = 5; //RW
char *p2; //STACK
p1 = (char *)malloc(100); //HEAP
p2 = (int *)malloc(100); //HEAP
...
free(p1);
free(p2);
return 0;
}

Cortex-M3和Cortex-M4在设计之初就考虑到了对OS的高效支持，主要有3点：
1、它们都具有一个内置的简单的向下计数24位计数器SysTick。之所以要在处理器内增加一个定时器，主要是为了提高软件移植的方便性。所有基于Cortex-M3和Cortex-M4内核的处理器具有相同的SysTick定时器，在一种Cortex-M3/M4处理器上实现的OS也能适用于其它Cortex-M3/M4处理器。因此，嵌入式OS的源码可以很容易的移植到其它Cortex-M3/M4内核的处理器上，无需为设备相关的定时器做修改。
2、Cortex-M3内核支持双堆栈机制，即主堆栈MSP和线程堆栈PSP。OS内核和系统中的中断或异常使用MSP，用户创建的多线程任务使用PSP。
3、Cortex-M3/M4内核支持特权模式和非特权模式，可以将用户创建的多线程任务在非特权操作模式中运行，这样可以限制其对一些寄存器的访问，如NVIC、CONTROL寄存器等，以免因为不可靠的程序引起整个系统的崩溃。
在裸机系统中，所有的变量、函数调用、中断处理等使用的栈空间均是MSP。在使用RTOS的多线程系统中，每个线程都是完全独立互不干扰的，因此需要为每个线程分配独立的栈空间，这个栈空间可以是预先分配好的全局数组（即存储于RW-Data段或ZI-Data段），也可以是动态分配的一段内存空间（注意：这里动态分配的空间不是启动文件（注：启动文件就是单片机相关的.s文件，如startup_hc32f4a0sitb.s）中定义的堆空间，而是由RTOS管理的内存空间），但本质上它们都是RAM上的一段内存空间。在RT-Thread中若需要动态内存管理，则需要先调用board.c--->rt_hw_board_init()--->rt_system_heap_init((void *)HEAP_BEGIN, (void *)HEAP_END);函数进行动态内存管理范围的配置，即将HEAP_BEGIN和HEAP_END之间的内存空间作为动态内存空间交由RT-Thread进行管理。在RT-Thread Master和RT-Thread Nano版本中，对于rt_system_heap_init()函数调用时填入的参数有些许差异，下面进行对比说明。
RT-Thread Master版本：

RT-Thread Master版本默认开启RT-Thread中的动态内存分配，并将将HEAP_BEGIN和HEAP_END之间的内存空间作为动态内存空间交由RT-Thread进行管理。其中在board.h文件中有定义，具体如下：

ZI$$Limit是一个链接器导出的符号，代表ZI-Data段的结束，也即程序执行时所占RAM空间的结束地址，也是未使用RAM 空间的起始地址。因此RT-Thread Master版本中会默认将RAM中剩余的内存空间全部交给RT-Thread进行动态内存管理。

RT-Thread Nano版本：

RT-Thread Nano版本默认不开启RT-Thread中的动态内存分配，因此凡是涉及到使用RT-Thread动态内存分配的函数都不能使用，如在创建线程时无法使用rt_thread_create()函数，只能使用rt_thread_init()函数等。用户需开启rtconfig.h中的RT_USING_HEAP宏开启使用RT-Thread进行动态内存分配的功能，因为动态内存分配中有使用到信号量，因此还需打开RT_USING_SEMAPHORE宏。rt_system_heap_init()函数中使用的参数rt_heap_begin_get(), rt_heap_end_get()均在board.c文件中有定义，具体如下：

可以看到RT-Thread Nano版本中是将用户定义好的大小为1024 * 4个字节的内存空间交由RT-Thread进行动态内存管理，而非将RAM中剩余的内存空间全部交给RT-Thread进行动态内存管理。

这里需要明白的是，程序中并不是将RAM空间用完的，假使RAM为20KByte，实际上只使用了8560Bytes，则剩余的RAM空间全部闲置在那儿。因此在RT-Thread Nano版本中使用数组作为动态内存堆时，可能会有一部分RAM空间是闲置的。

当把RT_HEAP_SIZE由1024 * 4Byte改为256 * 4Byte时，生成的工程信息中只有ZI-Data发生变化。由11124变为8052，即11124 - 8052 = 3072Byte，和程序中的变化值相等。因此，我们可以理解为：RT-Thread Nano是通过定义全局数组的方式在ZI-Data段占据了一段空间，并将这段空间交由RT-Thread进行动态内存分配。如果不想使用RT-Thread-Nano中使用数组作为动态内存堆的方式，也可以使用和RT-Thread-Master中同样的方法将ZI段结束作为动态内存堆起始地址，将RAM空间结束地址作为动态内存堆的结束地址。这样可以将程序运行所需RAM空间之余的全部空间作为动态内存堆使用，即RAM上没有闲置的内存空间。

编译后生成的.map文件如下所示，可以看到用户自定义的数组消失了，程序使用栈顶地址0x20002b90和RAM空间结束地址0x20005000之间的RAM空间作为RT-Thread的动态内存堆。

当然，RT-Thread Master中也可以使用RT-Thread Nano中默认的使用用户自定义的数组作为动态内存堆的方式。具体如何使用RAM空间，是很灵活的可以由用户自行指定的。当你深入了解RAM空间的分配原理后（一定要研究.map文件，开发中很有用的一个文件），就会发现用户就像是单片机的上帝，上帝可以任意支配手中的资源。而如何让单片机中这些资源按照用户的意愿去分配、去实现既定的功能是我们用户需要去好好研究的。

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