RT-Thread中堆和栈内存的分配

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？

1. Code：代码段，存放程序的代码部分
2. RO-Data：只读数据段，存放程序中定义的常量
3. RW-Data：读写数据段，存放初始化为非0值得全局变量
4. 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0x400时ZI-Data空间大小为2908Byte，设置为0x200时ZI-Data空间大小为2396Byte。2908-2396 = 512 = 0x200，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0x200设置为0x100时，ZI-Data空间大小由2396变为2140,2396 - 2140 = 256，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、常亮等在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？

1. RO Size：程序在ROM中的存储大小，包括Code段和RO-Data段
2. RW Size：程序运行时占用RAM空间的大小，包括RW-Data段和ZI-Data段
3. 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：

Image$$RW_IRAM1$$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。

将board.c中的代码作如下修改：

其中#ifndef USE_ARRAY_AS_RTT_HEAP和#else之间的为新增加的代码，当定义USE_ARRAY_AS_RTT_HEAP宏时使用用户自定义数组作为动态内存堆，否则则使用ZI段结束到RAM空间结束之间的内存作为动态内存堆。

//#define USE_ARRAY_AS_RTT_HEAP	//定义该宏后使用用户自定义的数组作为RT-Thread的动态内存堆

#ifndef USE_ARRAY_AS_RTT_HEAP
	#define STM32_SRAM1_START              (0x20000000)      
	#define STM32_SRAM1_END                (STM32_SRAM1_START + 20 * 1024)   // 结束地址 = 0x20000000（基址） + 20K(RAM大小)

	#if defined(__CC_ARM) || defined(__CLANG_ARM)
	extern int Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit;                   // RW_IRAM1，需与链接脚本中运行时域名相对应
	#define HEAP_BEGIN      ((void *)&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit)
	#endif

	#define HEAP_END                       STM32_SRAM1_END
#else
	#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
	#define RT_HEAP_SIZE 1024
	static uint32_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE];     // heap default size: 4K(1024 * 4)
	RT_WEAK void *rt_heap_begin_get(void)
	{
		return rt_heap;
	}

	RT_WEAK void *rt_heap_end_get(void)
	{
		return rt_heap + RT_HEAP_SIZE;
	}
	#endif
#endif

/**
 * This function will initial your board.
 */
void rt_hw_board_init()
{
	/* this function is defined in main.c, so use extern indicate this is an external function */
	extern void SystemClock_Config(void);	
		
	HAL_Init();
	SystemClock_Config();	
	
    /* System Clock Update */
    SystemCoreClockUpdate();
    
    /* System Tick Configuration */
    _SysTick_Config(SystemCoreClock / RT_TICK_PER_SECOND);

    /* Call components board initial (use INIT_BOARD_EXPORT()) */
#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
    rt_components_board_init();
#endif
#define RT_USING_USER_MAIN
#define RT_USING_HEAP
#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
	#ifndef USE_ARRAY_AS_RTT_HEAP
	rt_system_heap_init((void *)HEAP_BEGIN, (void *)HEAP_END);
	#else
	rt_system_heap_init(rt_heap_begin_get(), rt_heap_end_get());
	#endif
#endif
}

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。