MCU程序的存储方式与存储区域大小要求
程序的段的存储方式与存储区域大小要求
程序的存储和运行涉及 ROM（Flash/非易失性存储器） 和 RAM（易失性存储器） 的分配，不同段在存储和运行时具有不同的特性。以下是详细的分类和计算方式：
1. 程序文件的存储方式
程序在 编译后生成的二进制文件（如 .bin/.hex） 按照以下方式存储在 ROM（Flash） 中：
| 段类型 | 存储位置 | 说明 |
|---|---|---|
| Code段 | ROM | 存储程序的可执行代码（机器指令） |
| RO_data段 | ROM | 存储只读数据（如 const 常量、字符串常量） |
| RW_data段 | ROM | 存储已初始化且非零的全局/静态变量（初始值） |
| ZI_data段 | 不存储 | 仅记录大小，运行时在 RAM 中初始化为零 |
关键点：
- ZI_data段 不会占用 ROM 空间，仅记录其大小，由启动代码在 RAM 中初始化为零。
- RW_data段 的初始值存储在 ROM 中，但运行时会被拷贝到 RAM（因为 RAM 可读写，而 ROM 不可写）。
2. 程序运行时的内存布局
程序运行时，内存（RAM）会被划分为以下部分：
| 段类型 | 存储位置 | 说明 |
|---|---|---|
| Code段 | ROM 或 RAM | 通常直接从 ROM 执行，但某些系统可加载到 RAM（如 XIP 或加速执行） |
| RO_data段 | ROM 或 RAM | 通常只读，可直接从 ROM 访问，但某些情况会加载到 RAM |
| RW_data段 | RAM | 从 ROM 拷贝初始值到 RAM，运行时可修改 |
| ZI_data段 | RAM | 由启动代码初始化为零 |
| 堆（Heap） | RAM | 动态内存分配（malloc/free） |
| 栈（Stack） | RAM | 存储局部变量、函数调用信息 |
关键点：
- RW_data段 必须加载到 RAM，因为 ROM 不可写。
- ZI_data段 在 RAM 中分配并清零，不占用 ROM 空间。
- 堆和栈 在运行时动态增长，不占用 ROM 空间，但必须预留足够的 RAM。
3. 存储区域的大小计算
(1) ROM（Flash）大小计算
ROM 存储的是 程序文件，其大小由以下部分组成：
ROM 大小=Code段+RO_data段+RW_data段（初始值）
\text{ROM 大小} = \text{Code段} + \text{RO\_data段} + \text{RW\_data段（初始值）}
ROM 大小=Code段+RO_data段+RW_data段（初始值）
- ZI_data段不占用 ROM，仅记录大小。
- RW_data段 的初始值存储在 ROM 中，但运行时会被拷贝到 RAM。
(2) RAM 大小计算
RAM 存储的是 运行时数据，其最小需求为：
RAM 最小需求=RW_data段+ZI_data段
\text{RAM 最小需求} = \text{RW\_data段} + \text{ZI\_data段}
RAM 最小需求=RW_data段+ZI_data段
但实际 RAM 需求 必须更大，因为：
- 堆（Heap）：动态内存分配（
malloc/free）需要额外空间。 - 栈（Stack）：函数调用、局部变量、中断处理等需要栈空间。
实际 RAM 需求：
实际 RAM 需求=RW_data段+ZI_data段+堆大小+栈大小
\text{实际 RAM 需求} = \text{RW\_data段} + \text{ZI\_data段} + \text{堆大小} + \text{栈大小}
实际 RAM 需求=RW_data段+ZI_data段+堆大小+栈大小
示例：
- 如果
RW_data = 2KB，ZI_data = 4KB，堆预留1KB，栈预留1KB：
最小 RAM=2+4=6KB实际 RAM=2+4+1+1=8KB \text{最小 RAM} = 2 + 4 = 6KB \\ \text{实际 RAM} = 2 + 4 + 1 + 1 = 8KB 最小 RAM=2+4=6KB实际 RAM=2+4+1+1=8KB
4. 启动方式对存储的影响
程序运行时，代码和数据可以有不同的加载方式：
-
直接从 ROM 执行（XIP, eXecute In Place）
- Code段 和 RO_data段 直接从 ROM 读取，不占用 RAM。
- RW_data段 从 ROM 拷贝到 RAM。
- ZI_data段 在 RAM 中初始化为零。
- 优点：节省 RAM，适用于 RAM 较小的嵌入式系统。
- 缺点：ROM 访问速度可能比 RAM 慢。
-
全部加载到 RAM 执行
- Code段、RO_data段、RW_data段 全部从 ROM 拷贝到 RAM。
- ZI_data段 在 RAM 中初始化为零。
- 优点：执行速度更快（RAM 访问快）。
- 缺点：占用大量 RAM，适用于 RAM 较大的系统（如 Linux 应用）。
5. 总结
| 分类 | ROM（Flash） | RAM |
|---|---|---|
| Code段 | ✅ 存储 | ❌（除非加载到 RAM 执行） |
| RO_data段 | ✅ 存储 | ❌（除非加载到 RAM 执行） |
| RW_data段 | ✅ 存储初始值 | ✅ 运行时加载 |
| ZI_data段 | ❌ 不存储 | ✅ 运行时初始化为零 |
| 堆（Heap） | ❌ 不存储 | ✅ 动态分配 |
| 栈（Stack） | ❌ 不存储 | ✅ 运行时使用 |
存储大小计算：
- ROM 大小 =
Code段 + RO_data段 + RW_data段（初始值） - RAM 最小需求 =
RW_data段 + ZI_data段 - 实际 RAM 需求 =
RW_data段 + ZI_data段 + 堆 + 栈
适用场景：
- 嵌入式系统（RAM 小）：直接从 ROM 执行（XIP）。
- 高性能系统（RAM 大）：全部加载到 RAM 执行。
这样，你可以根据目标设备的资源情况（ROM/RAM 大小）合理规划内存布局。