深入解析 MCU 内存架构：Flash、RAM、代码与变量存储详解 .rodata .text heap stack .bss .data code RO-data RW-data ZI-data

电科周杰伦

已于 2025-03-12 09:57:02 修改

阅读量1.2k

点赞数 34

文章标签：单片机嵌入式硬件 MCU ARM 架构 Flash 堆与栈 RAM

于 2025-03-09 22:08:56 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_52342399/article/details/146139692

版权

1. MCU 内存概述

1.1 MCU 内存计算

以 STM32F103CBT6 为例，在 Keil 中可以看见，该款型号 MCU 的 Flash, RAM 大小为：
请添加图片描述

可以看出 Flash 的地址范围为 0x08000000 ~ 0x08010000，大小为 0x10000（16⁴ byte = 2¹⁶ byte,所以为 2⁶ KB = 64 KB）,同理 RAM 的地址范围为 0x20000000 ~ 0x20005000，大小为 0x5000（5 * 16³ byte = 5 * 2¹² byte,所以为 5 * 2² KB = 20 KB）

1.2 内存分布结构

64KB Flash（用于存放 .text 和 .rodata）
20KB RAM（用于 .data、.bss、栈和堆）

程序的典型内存分布：

stm32 由于是 32 位地址总线，所以地址位用八位十六进制数表示（16⁸ = 2³²）。

pgsql复制编辑+------------------+ 0x08010000 （Flash 结束）
|      .rodata    |  只读数据（Flash）
+------------------+
|      .text      |  代码段（Flash）
+------------------+ 0x08000000 （Flash 起始）

+------------------+ 0x20005000 （RAM 结束）
|       Heap      |  动态分配（malloc）
+------------------+
|       Stack     |  栈（局部变量、返回地址）
+------------------+
|      .bss       |  未初始化数据（RAM）
+------------------+
|      .data      |  已初始化全局变量（RAM）
+------------------+ 0x20000000 （RAM 起始）

注意：

.text 和 .rodata 只能存放在 Flash（代码和只读常量）。
.data 段在 Flash 里存有初值，但运行时会被复制到 RAM。
.bss 段不会占用 Flash，但会在 RAM 里初始化为 0。
栈和堆共享 RAM，栈 Stack 从高地址 0x20005000 向低地址方向增长，堆 Heap 从低地址 0x20000000 向高地址方向增长。
当 Stack 和 Heap 彼此增长到一个临界点（即二者相遇），就会导致 Stack Overflow（栈溢出）。

2.ARM 编译器中的存储字段

在 Keil 或 ARM GCC 编译器的 Program Size 统计信息中，列出了四个关键字段：

Code（.text） → 程序代码
RO-data（.rodata） → 只读数据
RW-data（.data） → 已初始化的全局/静态变量
ZI-data（.bss） → 未初始化的全局/静态变量

示例：Keil 编译器的存储统计
请添加图片描述

上图显示了，该程序的内存统计信息如下：

Code=13996 byte
RO-data=312 byte
RW-data=156 byte
ZI-data=12156 byte

3. 存储区域的详细解析

MCU 代码和变量在存储时会被划分到不同的区域，各个区域用途如下：

存储区域	用途	存储位置
.text（Code）	存放编译后的程序指令（代码）	Flash（只读）
.rodata（RO-data）	存放只读常量（`const` 变量等）	Flash（只读）
.data（RW-data）	已初始化的全局/静态变量	Flash + RAM
.bss（ZI-data）	未初始化的全局/静态变量，启动时清零	RAM（自动清零）
Heap（堆）	`malloc()` 动态分配的内存	RAM（向上增长）
Stack（栈）	局部变量、函数调用返回地址	RAM（向下增长）

3.1 .text段（存储 code）

存储内容：存放程序指令，即 CPU 执行的代码。
存储位置：通常存放在 Flash（ROM），因为代码是固定的，不需要在运行时修改。
特点：
- MCU 复位后，程序从 Flash 读取指令并执行。
- 代码段通常是只读的，防止意外修改。
- C 语言的函数和中断服务函数都存放在这里。
示例：

void func(void) {  // func 的指令代码存放在 .text 段
    // do something
}

3.2 .rodata 段（存储 RO-data，Read-Only Data）

存储内容：存放只读数据，如 const 修饰的全局变量、字符串常量等。
存储位置：通常存放在 Flash，因为这些数据不会被修改。
特点：
- 只能被读取，不能修改。
- 对于资源有限的 MCU，尽量让数据存放在 Flash，而不是占用 RAM(不需要改变的常量可以用 const 修饰)。
示例

const char message[] = "Hello, World!";

3.3 .data 段（存储 RW-data，Read-Write Data ）

存储内容：存放已初始化的全局变量/静态变量。

存储位置：

编译时：数据存放在 Flash。
程序运行时：MCU 启动代码（Startup 文件）会在程序启动时，将 .data 段的数据从 Flash 复制到 RAM，确保变量可读写。

所以已初始化的全局变量会同时占用 Flash 和 RAM 的内存空间

特点：
- 变量必须初始化，否则存放在 .bss 段。
- 既占用 Flash 又占用 RAM（启动时复制）。
示例：

int a = 10;    // 存放在 .data 段（Flash + RAM）
static int b = 20;  // 也存放在 .data 段（Flash + RAM）

3.4 .bss 段（存储 ZI-data，Zero Initialized Data ,）

存储内容：存放未初始化的全局变量和静态变量。
存储位置：直接存放在 RAM。
特点：
- 上电后，系统会自动清零（由 Startup 代码完成）。
- 变量未初始化时占用 RAM 但不会占用 Flash，因为 Flash 里没有初始值。
示例

int global_var;        // 存放在 .bss 段，自动初始化为 0
static int static_var; // 也是 .bss 段，自动初始化为 0

3.4 堆（Heap）和栈（Stack）

除了上述四个标准段，MCU 运行时还包含 堆（Heap） 和 栈（Stack），它们都位于 RAM，但用法不同。

存储区域	作用	增长方向
堆（Heap）	存放 `malloc()` 动态分配的数据	向上增长
栈（Stack）	存放局部变量、函数调用返回地址	向下增长

示例：

void foo(void) {
    int local_var = 10;    // local_var 在栈（stack）
    int *ptr = malloc(10); // malloc 分配的内存在堆（heap）
}

4. 代码优化建议

4.1 尽可能使用 `const` 修饰全局变量：

让编译器将变量放入 Flash（节省 RAM）。

const int lookup_table[] = {1, 2, 3, 4}; // 存在 Flash，而不是 RAM

4.2 避免全局变量初始化为 0

让变量默认存放到 .bss，减少 Flash 和 RAM 的同时占用。

int a = 0;  // 额外占用 Flash
int b;      // 更节省空间，存放在 .bss，自动初始化为 0

4.3 避免 malloc()，使用静态分配

不要频繁使用 malloc()，嵌入式系统中 RAM 资源有限，推荐使用静态数组。

// 避免动态分配，改为静态数组
int buffer[256];

5. 总结

Code（.text）：存放程序代码（存储在 Flash）。

RO-data（.rodata）：存放只读数据（存储在 Flash）。

RW-data（.data）：存放已初始化的全局变量（Flash 复制到 RAM）。

ZI-data（.bss）：存放未初始化的全局变量（RAM，上电后自动清零）。

Heap（堆）：malloc() 动态分配内存（RAM）。

Stack（栈）：存放局部变量、函数调用（RAM）。

ROM (Flash) size = Code + Ro-data + rw-data;

RAM size = Rw-data + zi-data