STM32的内存分配与堆栈

原创已于 2025-08-31 20:05:04 修改 · 379 阅读

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#stm32 #嵌入式

于 2025-08-30 15:59:13 首次发布

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使用过cortex-M4内核单片机的朋友对下面这张图一定不会感到陌生，它是ST原厂手册里面的memory map，里面的信息量其实非常多，今天简单说明一部分。

我们在编写stm32代码的时候最长使用的地址有两块，第一块是0x0000 0000~0x3FFF FFFF,

第二块是0x4000 0000~0x5003 FFFF。注意，第二块地址是我们APB与AHB总线上面挂载着的各种外设的物理地址，我们想要操作外设就是配置这些寄存器地址。我们今天讨论的内存是第一块儿，可供我们进行数据存储的内存。

首先0x000 000~0x0007 FFFF并不可以用来进行用户数据存储，这一段固化的代码作用是根据BOOT引脚输入的电平高低来决定将Flash memory、System memory还是SRAM的首地址映射到起始位置。

那么在真正可供我们操作的内存空间中，首先我们来讨论SRAM，SRAM只要芯片没有下电就可以一直存储数据（除非软失效等情形发生）。

Option bytes主要可以设置对 Flash 存储器的读写保护级别，防止未经授权的程序对 Flash 中的代码和数据进行读取或修改，保障程序和数据的安全性。

System memory里面存储着ST原厂编写的bootloader，当我们无法通过工具链下载代码时，可以通过改变boot引脚高低电平的方式选择使用该段内存中的bootloader。我们经常使用的串口升级代码也存储在这一段内存中。

我们平时下载的代码主要就存储在0x0800 0000~0x0807 FFFF中，这512K的内存又可以分为两部分，代码.text段和数据.rodata段。这段内存的第一个字节（0x08000 0000~0x0800 0003）存储着至关重要的MSP指针（栈底指针）；第二个字节装着PC指针，PC指针指向了我们的复位函数。

下面介绍SRAM的作用，首先最底部的.data段的数据来源自上图用户代码的.rodatda。那么我们在编程中如何定义变量会导致数据被存储在.data段内部呢？下面介绍了两种特定值可修改的变量定义方式。

int cnt3=1；
fun1(void)
{
  static int cnt=1;
}

其次.bss段存储两类内容，一类是FreeRTOS中的heap size，另外一类是其他未初始化或者初始化为0的可修改变量；第二类又可以分为3小类，第一类是如同下文中cnt那样的未初始化全局变量，第二类是初始化为0的全局变量，第三类是静态的局部变量。

int cnt;
int cnt1=0;
int fun1(char *argv)
{
  static int cnt2;
 
}

.s文件中映射单片机堆栈中的数据，msp指针向下压入数据，当msp向下生长影响到队时就会在造成栈溢出。堆中的数据则是用malloc手动分配。

那么在移植freertos的过程中，动态创建的任务与静态创建的任务分别都被存储在了哪里？都在.bss段中的freertos_heap_size中。

下面讨论上下文堆栈：

cortex-M内核拥有双堆栈机制，除了MSP指针外还有一个PSP指针。在 Cortex-M 内核中，PSP（Process Stack Pointer，进程栈指针）是专门用于应用任务（用户任务）的栈指针，与 MSP（Main Stack Pointer，主栈指针）配合实现了内核与用户任务的栈空间分离，是支持实时操作系统（如 FreeRTOS）多任务管理的核心机制之一。

机制原理

栈指针的分离设计
Cortex-M 内核有两个栈指针：
- MSP（主栈指针）：默认用于内核模式（如中断服务程序、异常处理、内核代码），复位后默认使用 MSP。
- PSP（进程栈指针）：仅用于用户模式（应用任务），由用户任务代码使用。
内核通过CONTROL 寄存器的 bit [1] 控制当前使用的栈指针：
- CONTROL[1] = 0：使用 MSP（内核模式默认）。
- CONTROL[1] = 1：使用 PSP（用户任务运行时）。
任务切换时的 PSP 作用
当发生任务切换（如由调度器触发）时：
- 内核先将当前任务的寄存器状态（R0-R15 等）压入该任务的 PSP 所指向的栈空间（保存上下文）。
- 然后加载下一个任务的 PSP 值（从该任务的 TCB 中获取），并从其栈中恢复寄存器状态（恢复上下文）。
- 最后通过修改 CONTROL 寄存器，使 CPU 切换到 PSP，运行新任务。

核心作用

实现任务栈隔离
每个用户任务拥有独立的栈空间（由 PSP 指向），任务间的栈数据互不干扰，避免了多任务运行时的栈冲突，提高了系统稳定性。
支持实时操作系统的多任务调度
操作系统（如 FreeRTOS）通过管理每个任务的 PSP 值（存储在 TCB 中），实现快速的任务上下文切换，是多任务并发执行的基础。
区分内核与用户权限
MSP 用于内核和异常处理，PSP 用于用户任务，配合内核的特权模式机制，实现了系统资源的权限隔离（如某些寄存器仅能在特权模式下访问）。