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01：C语言的本质

news 来源：原创 2025/5/13 22:36:49

C语言的本质

1、ARM架构与汇编
2、局部变量初始化与空间分配
- 2.1、局部变量的初始化
- 2.1、局部变量数组初始化
3、全局变量/静态变量初始化化与空间分配
4、堆空间
5、函数

1、ARM架构与汇编

ARM简要架构如下：CPU，ARM(能读能写)，Flash（能读，写比较麻烦）。
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①CPU由计算单元和寄存器所组成，其中SP，LR，PC为3个特殊的寄存器。
②RAM为存储区域：由栈区+全局变量/静态变量存储区域 + 堆区所组成。堆区由用户自己定义，可以是ZI段区域，也可以是除了栈区的其他空闲区域。
③Flash由代码段和数据段组成，代码段存储的是编译器将c语言编译的机器码，数据段存储的是全局变量所初始化的值。

2、局部变量初始化与空间分配

2.1、局部变量的初始化

CPU寄存器如下：
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CPU中的特殊寄存器
①SP：栈空间地址指针
②LR：保存正在执行的函数返回地址，一般是BL指令的下一条指令的地址
③PC：保存Flash的代码段的机器码地址，保存CPU正在执行的机器码地址。

执行如下代码时，单片机内部是怎样执行操作的？

int main()
{volatile int a = 10;volatile int b = 20;a = a+b;return 0;
}

C语言代码被编译为单片机能识别的机器码后，烧录进入单片机的Flash的代码段。
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如下为c代码转换的汇编码和机器码

0x08000138 B50C      PUSH     {r2-r3,lr}5:     volatile int a = 10; 
0x0800013A 200A      MOVS     r0,#0x0A
0x0800013C 9001      STR      r0,[sp,#0x04]6:     volatile int b = 20; 
0x0800013E 2014      MOVS     r0,#0x14
0x08000140 9000      STR      r0,[sp,#0x00]7:     a = a+b; 
0x08000142 E9DD1000  LDRD     r1,r0,[sp,#0]
0x08000146 4408      ADD      r0,r0,r1
0x08000148 9001      STR      r0,[sp,#0x04]8:         return 0; 
0x0800014A 2000      MOVS     r0,#0x009: } 
0x0800014C BD0C      POP      {r2-r3,pc}

常见的汇编指令：
PUSH：压栈，一般情况将CPU的寄存器压入RAM栈空间例如：PUSH  {r2-r3,lr}。表示将lr，r3，r2压入栈空间
MOVS：赋值，给CPU的寄存器赋值例如：MOVS  r0,#0x0A。表示给r0寄存器赋值0x0A
STR：写入数据4个字节，将CPU的寄存器数据写入栈空间里面例如：STR   r0,[sp,#0x00]。表示将r0的数据写入地址为sp + 0x00的空间
STRB：写入数据1个字节
STRH：写入数据2个字节
LDRD：读取8个字节数据，将栈空间的数据读取到CPU的寄存器里面例如：LDRD  r1,r0,[sp,#0]。表示将sp+0x00地址的数据读取到r0，将sp+0x04地址数据读取到r1
LDR：读取4个字节的数据
LDRB：读取1个字节的数据
LDRH：读取2个字节的数据
ADD：做加法， 例如：ADD   r0,r0,r1。表示将r0 = r0 + r1
SUB：做减法例如：SUB   sp,sp,#0x68。表示将sp = sp - 0x68
POP：出栈，将CPU的寄存器退出栈空间，用于栈空间的释放。例如：POP {r2-r3,pc}。表示将r2，r3，pc对应的栈空间释放。
B：直接跳转，一般用于函数的调用
BL：先把返回地址保存到LR寄存器里面，然后在跳转。

①PUSH {r2-r3,lr}。表示依次将寄存器lr，r3，r2中的数据压入栈的空间里面。而压栈的同时，sp也会随着压栈而改变。
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【注】lr寄存器里面的是机器码地址，即在执行main函数之前，将ENDP对应的机器码的地址保存在lr中。
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如图：PUSH {r2-r3,lr}此汇编对应的机器码为0x08000014 B50C，当单片机执行完此机器码后，lr，r3，r2的寄存器的值被保存到RAM的栈区空间里面。而sp(栈空间地址光标)会指向地址0x2000 FFF4。
【注】此时的r2和r3寄存器的值为空。
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②volatile int a = 10对应的汇编：MOVS r0, #0x0A。表示将0x0A移入r0寄存器
STR r0, [sp,#0x04]。表示将r0的数据写入(sp + 0x04)的地址存储空间。sp = 0x2000 FFF4，则sp + 4 = 0x2000 FFF8。所以将r0的数据写入到栈空间的r3的位置。
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【注】0x2000 FFF8为什么代表r3的位置，而不是代表r2的位置喃？一般情况下一个存储空间是以较小的那个地址表示的
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③volatile int b = 20对应的汇编：MOVS r0, #0x14。表示将0x0A移入r0寄存器
STR r0, [sp,#0x00]。表示将r0的数据写入(sp + 0x00)的地址存储空间。sp = 0x2000 FFF4，则sp + 0 = 0x2000 FFF4。所以将r0的数据写入到栈空间的r2的位置。
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④a = a + b对应的汇编：LDRD r1, r0, [sp,#0]。从栈区读取2个数据到r0，r1寄存器中。读取的起始地址为sp + 0 = 0x2000 FFF4。（r0接收地址sp + 0x00空间的数据，r1接收地址sp + 0x04空间的数据）即将b/0x14读取到r0，将a/0x0A读取到r1。
ADD r0, r0, r1。表示将r1的数据加上r0的数据赋值r0。即r0 = 0x14 + 0x0A = 0x1E
STR r0, [sp,#0x04]。表示将r0的数据写入(sp + 0x04)的地址存储空间。sp = 0x2000 FFF4，则sp + 0x04 = 0x2000 FFF8。所以将r0的数据写入到栈空间的r3的位置。

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最终调试结果如下：

⑤return 0;对应的汇编：MOVS r0,#0x00。表示将r0寄存器的数据清零。

⑥栈的回收对应的汇编：POP {r2-r3,pc}。从栈中恢复寄存器 r2、r3 和 pc所对应栈空间的值，并且会自动调整栈指针 sp。最终sp指向0x20010000。表示之前使用的栈空间被回收。
【注】①低标号寄存器在栈空间对应低地址。进栈出栈都是。所以r2在栈空间的下面。②压栈时，先压进去sp在向下移动；出栈时，先出栈，sp在向上移动。

综上：c语言的代码本质就是被编译器转换后的机器码(指令)，然后存储在Flash的代码段里面。一个机器码占用2/4个字节的空间。上面的main函数的代码转换为机器码占用空间地址为：0x08000138(PUSH开始) ~0x0800014C(POP结束)，共占用22字节。main函数的地址就是机器码的首地址：0x08000138
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2.1、局部变量数组初始化

执行如下代码时，单片机内部是怎样执行操作的？

int main()
{volatile int a = 10;volatile char b[100];b[99] = 20;return 0;
}

如下为c代码转换的汇编码和机器码

0x08000014 B09A      SUB      sp,sp,#0x6817:     volatile int a = 10; 18:     volatile char b[100]; 
0x08000016 200A      MOVS     r0,#0x0A
0x08000018 9019      STR      r0,[sp,#0x64]19:     b[99] = 20; 
0x0800001A 2014      MOVS     r0,#0x14
0x0800001C F88D0063  STRB     r0,[sp,#0x63]20:         return 0; 
0x08000020 2000      MOVS     r0,#0x00

SUB sp,sp,#0x68。表示sp = sp - 0x68。则sp = 0x2000 FFFC - 0x68 = 0x2000 FF98。其中0x68 = 104。则表示在栈区开辟了104个字节
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3、全局变量/静态变量初始化化与空间分配

#include "main.h"volatile int g_a = 123;//全局变量
int main()
{static volatile int g_b = 321;//静态变量volatile int a = 10;volatile int b = 20;a = a+b;g_b = g_a + g_b;return 0;
}

如上代码包含g_a全局变量，g_b静态变量。如下为c代码转换的汇编码和机器码

0x08000154 B50C      PUSH     {r2-r3,lr}7:     volatile int a = 10; 
0x08000156 200A      MOVS     r0,#0x0A
0x08000158 9001      STR      r0,[sp,#0x04]8:     volatile int b = 20; 
0x0800015A 2014      MOVS     r0,#0x14
0x0800015C 9000      STR      r0,[sp,#0x00]9:     a = a+b; 
0x0800015E E9DD1000  LDRD     r1,r0,[sp,#0]
0x08000162 4408      ADD      r0,r0,r1
0x08000164 9001      STR      r0,[sp,#0x04]10:     g_b = g_a + g_b; 
0x08000166 4804      LDR      r0,[pc,#16]  ; @0x08000178
0x08000168 6800      LDR      r0,[r0,#0x00]
0x0800016A 4904      LDR      r1,[pc,#16]  ; @0x0800017C
0x0800016C 6809      LDR      r1,[r1,#0x00]
0x0800016E 4408      ADD      r0,r0,r1
0x08000170 4902      LDR      r1,[pc,#8]  ; @0x0800017C
0x08000172 6008      STR      r0,[r1,#0x00]11:         return 0; 
0x08000174 2000      MOVS     r0,#0x0012: } 
0x08000176 BD0C      POP      {r2-r3,pc}

综上：并未有机器码和汇编代码来初始化全局变量和静态变量。那么在内存中他们是怎样被初始化赋值的喃？
答案：将全局变量和局部变量需要被初始化的值保存在Flash的数据段里面。有多少个数据，在数据段里面就有多少个数据
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有了数据，那全局变量和局部变量的内存又在哪里喃？又怎样将数据给到全局变量和局部变量喃？

答案：全局变量和静态变量依旧保存在RAM的里面，但不在是栈区。全局变量/静态变量由编译器分配的存储空间，不再是像局部变量由代码指令分配。如下图所示：Linker(链接器)：将0x0800 0000的空间与0x2000 0000的空间链接在一起。

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如上图：R/O base:0x0800 0000。表示的是Flash的数据段的起始地址。

R/W base:0x0200 0000。表示的是RAM中保存全局变量和静态变量的起始地址。
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综上：
①全局变量/局部静态变量赋值和栈里面的局部变量不同，全局变量是先占用低地址空间，而局部变量是先占用高地址空间。
②全局变量是通过copy函数，将Flash里面的数据复制到全局变量和静态变量的内存里面。
③当 main 函数执行完毕时，虽然栈上的局部变量会被销毁，但是全局变量不会受到影响。全局变量在整个程序运行期间都存在，直到程序退出时才会被操作系统回收

【注】copy函数在启动文件里面，由程序员编写，且在调用main函数之前。调用完copy函数后在执行main函数。全局变量在程序启动时分配内存和初始化值，并在整个程序运行期间都保持有效。
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综上为有初始值的全局变量和静态变量的内存分配情况（简称为：RW段），那若没有初始值/初始化为0的全局变量。依然会在Flash的数据段将数据0保存起来吗？显然浪费内存空间。

答案：没有初始值和初始值为0的全局变量，在Flash的数据段里面并未保存数据。但是编译器会在RAM里面给这些变量分配存储空间(简称：ZI段)。在调用main函数之间，调用memset函数将这些变量的存储空间清零。

4、堆空间

综上：①RAM中存在栈区：用于存储局部变量、函数参数、返回地址等。栈内存是自动管理的，随着函数调用和返回而分配和释放。②RAM也存在全局变量/静态局部变量区域。③RAM还存在堆区：堆区由用户调用mallo函数分配和管理，调用free函数进行释放。
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堆区的空间不能在栈区里面分配。因为栈区空间会随着函数的结束而释放，是用户不可控制的。而堆区是不会随着函数的结束而释放。除非main函数终止。

而堆空间可以是全局变量区域。因为都是不会随着函数的结束而释放。除非main函数终止。

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5、函数

接下来继续分析如下的代码：

int add_value(volatile int b)
{volatile int c = 20;return c + b;
}int main()
{volatile int a = 10;add_value(a);return 0;
}

生成的机器码和汇编代码如下：

0x08000138 B501      PUSH     {r0,lr}
0x0800013A B081      SUB      sp,sp,#0x045:     volatile int c = 20; 
0x0800013C 2014      MOVS     r0,#0x14
0x0800013E 9000      STR      r0,[sp,#0x00]6:     return c + b; 
0x08000140 E9DD0100  LDRD     r0,r1,[sp,#0]
0x08000144 4408      ADD      r0,r0,r17: } 8:  9: int main() 
0x08000146 BD0C      POP      {r2-r3,pc}10: { 
0x08000148 B508      PUSH     {r3,lr}11:     volatile int a = 10; 
0x0800014A 200A      MOVS     r0,#0x0A
0x0800014C 9000      STR      r0,[sp,#0x00]12:     add_value(a); 
0x0800014E 9800      LDR      r0,[sp,#0x00]
0x08000150 F7FFFFF2  BL.W     0x08000138 add_value13:         return 0; 
0x08000154 2000      MOVS     r0,#0x0014: } 
0x08000156 BD08      POP      {r3,pc}

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其中BL.W 0x08000138 add_value。表示①先把返回地址保存在LR寄存器里面。返回地址 = 0x0800 0154(即：MOVS r0,#0x00指令的地址)。②然后在跳转去执行地址为0x0800 0138地址的指令。

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综上：main函数的机器码地址0x08000148（PUSH） ~ 0x08000156（POP）。add_value函数的机器码地址0x08000138（PUSH） ~ 0x08000146（POP）。即：main函数的地址为0x08000148 ，add_value函数的地址为0x08000138 。

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C语言的本质

1、ARM架构与汇编

2、局部变量初始化与空间分配

2.1、局部变量的初始化

2.1、局部变量数组初始化

3、全局变量/静态变量初始化化与空间分配

4、堆空间

5、函数

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