或許我們平時大多數學習C語言都是在Windows環(huán)境下學習的，對于程序執(zhí)行的底層邏輯了解的不是非常清楚，所以本文在這里給大家介紹一下，C語言在單片機中是如何執(zhí)行的。

Part1CPU與外設

我們知道，單片機也是有CPU的，它負責執(zhí)行代碼，運算數據，以及發(fā)出控制信號等功能，而與CPU直接相連的設備我們稱之為外設(就是集成芯片)。

本文以STM32F103ZET6為例來講解，該芯片使用的是ARM架構，該架構采用的是哈弗結構。

• 哈弗結構：內存和外設統(tǒng)一編址。

ARM芯片屬于精簡指令集計算機(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比較簡單，有如下特點：

1. 對內存只有讀、寫指令；
2. 對于數據的運算是在CPU內部實現(xiàn)；
3. 使用RISC指令的CPU復雜度小一點，易于設計。

比如對于a=a+b這樣的算式，需要經過下面4個步驟才可以實現(xiàn)：

細看這幾個步驟，有些疑問，a的值讀出來后保存在CPU里面哪里？b的值讀出來后保存在CPU里面哪里？a+b的結果又保存在哪里？

如上圖所示，CPU也是由多個部分組成的，包括ALU邏輯運算單元，控制單元，以及多個寄存器等等。

假設變量a的地址是0x12，變量b的地址是0x34，第一步的匯編代碼LDR R0, [a]的意思就是將0x12地址中的值讀取到R0寄存器中，第二步讀取b變量同理。

• LDR + 第一操作數 + 第二操作數：就是將第二操作數的值賦第一操作數。

當變量a和變量b都被讀到了CPU的寄存器中后，執(zhí)行第三步匯編代碼ADDR R0, R0, R1，意思是將R0和R1中的值相加，然后將結果保存到R0中。

• ADD：相加的匯編指令，可以有三個操作數也可以有兩個操作數，三個操作數則后兩個操作數相加，得的結構均保存到第一個操作數。

最后就是將R0中的計算結果再寫回到內存中，執(zhí)行第四步匯編代碼STR R0,[a]，意思是將R0中的值寫入到變量a的地址處0x12。

如上圖所示，由于有32根地址線，所以CPU可訪問的地址范圍就是0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF，就拿我們熟知的Flash和SRAM來說，它倆和CPU直接相連，所以也可以看成是外設。

• Flash：用來存放用戶燒錄的程序，掉電數據不丟失(硬件特性)。
• SRAM：用來存放程序執(zhí)行過程中的臨時數據，掉電數據丟失。

Flash的地址范圍是0x0800 0000 ~ 0x0807 FFFF，SRAM的地址范圍是0x2000 0000 ~ 0x2000 FFFF，這是我們根據上面的圖才知道的。

但是對于CPU而言，它并不知道哪里是FLASH哪里是SRAM，它只是被動地在執(zhí)行代碼。CPU在一上電以后就從0x0000 0000處開始執(zhí)行代碼(可以進行設置，以后再講解)，直到調用了我們C代碼中必須有的main函數，然后進入我們自己的邏輯當中。

1.1 Flash

如上圖啟動文件所示，CPU會通過BL匯編語句來調用main函數，但是在這之前，還會執(zhí)行LDR匯編語句來給棧頂指針SP賦值。

• BL：跳轉指令，也就是讓程序跳轉到指定位置處執(zhí)行，相當于函數調用。

我們知道，代碼最終會被轉換成機器碼讓CPU去執(zhí)行，而存放這些機器碼也需要空間，所以代碼也是有地址的。

如上圖所示，無論是調用main函數之前的匯編代碼，還是main函數的代碼，它們的地址都是0x0800 0xxx，距離FLASH的起始地址0x0800 0000不是很遠，說明我們燒錄到單片機中的代碼就是存放在FLASH中的。

• 無論是main中的代碼，還是前面的匯編代碼，只要是從FLASH起始處開始的，都屬于我們程序員寫的代碼。
• 芯片廠家在FLASH起始地址之前，固化了一些代碼，這個暫不作說明。

1.2 SRAM(內存)

1.2.1 棧

當main執(zhí)行起來以后，運算數據得到的臨時結果或者中間數據就都會暫存到SRAM上，也就是我們平常所說的內存中。

如上圖所示，在使用BL調用main函數之前，還使用了LDR給棧頂指針SP賦了初值，紅色箭頭指向的位置就是棧頂指針指向的位置。

代碼中的局部變量，函數棧幀等等數據，全部都存放在SP開始往下的位置，因為 棧的開辟是從高地址向低地址 。

如上圖所示，在main函數中創(chuàng)建兩個變量a和b，加volatile的作用是防止編譯器將這兩個變量優(yōu)化掉導致在這里無法演示現(xiàn)象。

• main函數也是被調用的，所以在其內部創(chuàng)建的變量也屬于局部變量，局部變量就統(tǒng)統(tǒng)存放在棧上。

匯編代碼中，在創(chuàng)建變量a之前先執(zhí)行了一句PUSH {r2-r3,lr}匯編語句，意思是將寄存器lr，寄存器r2和r3中的值壓入棧中。

• lr：寄存器存放的是函數的返回地址，其實就是CPU中的r15寄存器。
• PUSH：執(zhí)行壓棧操作，將數據壓入到棧中后，棧頂指針向下移動。

此時向棧中壓入了三個個數據，每個數據都是4字節(jié)的，所以SP向下移動了12個字節(jié)，這12個字節(jié)就可以看作當前main函數的棧幀大小。

如上圖，當執(zhí)行到給變量a賦值1時，執(zhí)行了匯編代碼MOVS r0,#0x01，表示將數值1賦值給寄存器r0。然后再執(zhí)行匯編代碼STR r0,[sp,#0x04]，表示將寄存器r0中的值，寫入到sp + 0x04地址處。

• MOVS：將后一個操作數賦值給前一個操作數。

給變量b賦值2的時候，原理同上。所以此時在內存中就存在了1和2兩個值，分別存在于sp+4和sp+0的位置處，后面用到變量a和b的時候，也是通過棧頂指針sp來找這兩個值。

在這個過程中我們發(fā)現(xiàn)，寄存器r2和r3的的作用就是 占坑 ，現(xiàn)在棧中給變量a和b占兩個位置，等到STR賦值的時候將這兩個位置覆蓋即可。

那如果我創(chuàng)建100字節(jié)大小的數組呢？難道用100個寄存器來占坑嗎？顯然不可能，CPU一共也沒那么多寄存器。

如上圖所示，創(chuàng)建100字節(jié)大小的數組，先開辟100個字節(jié)大小的棧空間，執(zhí)行匯編語句SUB sp,sp,#0x64，表示用當前的sp值減去0X64(100的16進制)，將結果再賦值到sp中。

• SUB：用法和ADD相似，只是作用是后兩個操作數做減法，得到的結果賦值給第一個操作數。

此時在SRAM(內存)上就存在一個100字節(jié)大小的棧用來存放這個str數組，此時它不使用占坑的方式了，而是直接改變SP的值來改變棧區(qū)的大小。

1.2.2 數據段

如上圖所示，創(chuàng)建兩個全局變量a和b，還有一個靜態(tài)變量c，在調試窗口中可以看到，變量a的地址是0x20000 0000，變量b的地址是0x20000 0004，變量c的地址是0x2000 0008，這三個變量緊挨著。

• 在C語言學習中我們知道，全局變量和靜態(tài)變量是存放在數據段的。
• 先忽略為什么它們的初始值都是0這個問題。

在本文最前面放了一張內存地址映射圖，其中SRAM的地址范圍是0x2000 0000 ~ 0x20000 FFFF，也就是說內存的起始地址就是0x2000 0000，而變量a，b，c從起始位置開始存放，所以說這個位置就是數據段起始位置。

如上圖所示，當給變量a賦值時，先執(zhí)行MOVS r0,#0x01，將數值1賦值給寄存器r0，然后執(zhí)行LDR r1,[pc,#20]語句，表示從PC + 20的地址處讀取數據放入到寄存器r1中。

• PC：程序計數器，實際上就是CPU寄存器中的R15，它存放程序的地址，其值永遠是當前語句的下一條語句的地址。
• CPU會根據PC值去執(zhí)行對應的指令。

PC + 20的值是0x0800 0016C，這是一個Flash處的地址，而該地址處的值是0x0000，由于LDR一次取四個字節(jié)的數據，所以要連0x0800 0016E處的值0x2000也要讀走，兩個值按照大端存儲模式復原(高地址存放高字節(jié)序)，得到的值就是0x2000 0000。

所以此時寄存器r1中的值就是0x2000 0000，再執(zhí)行STR r0,[r1,#0x00]匯編語句，將r0中的1寫入到0x20000 0000處，也就是數據段變量a的地址處，此時就成功改變了它的值。

1.2.3 堆

如上圖，整個SRAM上，棧占用一部分空間，它的大小隨著的SP的變化而變化，數據段占用一部分空間，但是還沒有全部使用完畢，還有剩余的空閑空間，堆就建立在這部分空間上。

• 堆空間的大小并不會發(fā)生變化，它就是一塊固定大小的空間，用戶可以去申請使用，用完了還必須歸還。

所以可以用一個大的全局數組來管理這塊空間，因為全局數組存放在數據段，它的大小并不會隨著SP的變化而變化，從而堆空間的大小也不會變化。

• 雖然叫做堆，但是這部分空間仍然屬于數據段，只是提供了接操作這部分空間的接口。

如上圖所示，在此定義了一個全局數組char buffer[500]來充當堆，還有一個全局的index用來記錄堆的使用情況，又實現(xiàn)了一個mymalloc用來向堆區(qū)申請空間。

圖

全局數組buffer的地址是0x2000 0010，排在a，b，c，index后面，第一次mymalloc以后，得到的地址是0x2000 0010，大小是100個字節(jié)，第二次mymalloc以后，得到的地址是0x2000 0074，地址相差0x64也就是100，說明這是在第一次申請的基礎上再次申請的。index的值是0x12C也就是300，說明一共申請了300個字節(jié)的空間。

自定義的釋放函數myfree在此就不寫了，各位小伙伴可以自行嘗試。所以說， 堆本質上就是就是一塊空閑內存，可以使用malloc/free函數來管理它 。

為什么Flash的起始地址就是0x0800 0000，SRAM的起始地址就是0x2000 0000？不能是別的嗎？

如上圖所示，在MDK中，連接器選項中R/O Base是Flash基地址，用來設置Flash的起始地址，R/W Base是SRAM基地址，用來設置SRAM的起始地址。

下面藍色框中的是連接器控制信息，里面的內容是我們程序員寫的，目的是告訴連接器要做什么。

默認情況下，紅色框中的SRAM起始地址是0x2000 0000，本文將其改成了0x2000 8000，來看一下會發(fā)生什么？

如上圖所示，此時代碼里只有一個全局變量a，它位于數據段的起始位置，也就是SRAM的起始位置，其地址是0x2000 8000，本文成功地修改了SRAM的起始地址。

Flash的地址也是同理，也可以通過連接器R/O Base進行修改。

Part2變量的初始化

• 變量：能改變的量，它一定在內存上占據空間，

2.1 局部變量

如上圖所示，在main函數中創(chuàng)建了局部變量a并賦值0x11223344，創(chuàng)建了局部變量b并賦值0x11。在匯編代碼中，首先移動SP，由于只有兩個變量，所以壓棧r2和r3來占位。

初始化變量a的時候，先執(zhí)行LDR r0,[pc,#12]匯編語句，取地址為0x0800140的Flash中取值，讀取了該地址及下個地址供四個字節(jié)數據0x11223344，賦值給寄存器r0。然后再執(zhí)行STR r0,[sp,#0x04]匯編語句，將r0中的0x11223344賦值給變量a所在處。

初始化變量b的時候，先執(zhí)行MOVS r0,#0x11匯編語句，直接將立即數#0x11賦值給寄存器r0，然后再執(zhí)行STR r0,[sp,#0x00]匯編語句，將r0中的0x11賦值給變量b所在處。

• 兩個局部變量的初始化過程并不一樣，初始值為4字節(jié)的變量需要去Flash中取初值，初始值為1字節(jié)的變量，直接就給賦值了。

指令也是有大小的，如0x08000132 4803 LDR r0,[pc,#12]中，0x08000132是代碼所在的Flash地址，4803是代碼匯編之后的機器碼，大小是2字節(jié)(CPU執(zhí)行的是機器碼，匯編語句是為了方便我們看的，剩下的就是匯編語句)。

對于初始值為0x#11的初始化，兩個字節(jié)的指令足夠容納一個字節(jié)的初值，所以直接就賦值初始化了。

對于初始值為0x11223344的初始化，兩個字節(jié)的指令無法容納四個字節(jié)的初值，所以必須取Flash中取初值到寄存器中，然后再進行賦值。

如上圖，創(chuàng)建一個char buffer[500]數組全部用1初始化，使用BL.W指令跳轉到__aeabi_memclr4處進行初始化，相當于調用了一個函數來初始化這個數組，這個函數是由編譯器生成的，也是一堆匯編語句，這里暫不做介紹。

如上圖，當main函數執(zhí)行完，執(zhí)行了return 0以后，會執(zhí)行POP {r2-r3,pc}匯編語句，將前面壓棧時向下生長的空間回收，也就是SP向上移動。

• POP：出棧操作，將棧中的數據彈出，并且SP棧頂指針向上移動。

此時原本存放變量a和b的空間就位于棧外面了，原本的值彈出給了r0和r1，PC拿到函數的返回地址lr。

雖然a和b的內存空間還存在，但是已經不再被維護了，當有新的局部變量需要棧的時候，SP會重新向下移動，并且使用新的值覆蓋掉這部分空間。

2.2 全局變量和靜態(tài)變量

如上圖所示，定義兩個全局變量a和b，初始值分別為10和20，定義一個全局靜態(tài)變量，初始值為30，定義一個局部靜態(tài)變量，初始值為40，當程序執(zhí)行到main中時，通過調試窗口看到它們的值都是0，并沒有被初始化。

如上圖，在啟動文件中使用BL跳轉到main函數之前，需要先跳轉到copy函數，將全局變量的初始值全部復制到對應數據段的地址。但是這里并沒有實現(xiàn)copy函數，所以全局變量沒有被初始化。

• 全局變量的初始值是存放在Flash中的，注意是只存放初始值，不存放變量名，因為CPU執(zhí)行的是機器碼，機器碼中并沒有變量名這么一說。

如上圖，仍然是這四個變量，但是在定義都是時候都沒有給初始值，沒有進行初始化，但是在調試窗口看到它們的值仍然是0。

• 對于沒有初始值的數據段變量，在編譯的時候，編譯器會用0將這些變量初始化，也就是將對應地址寫0。

相當于會調用一個memset函數將這部分變量全部初始化為0。這些變量處于數據段的 未初始化數據段 ，而前面有初始值的處于 已初始化數據段 。

如上圖所示，便是整個數據段的內存示意圖。

在STM32F103中，代碼是在FLASH中運行的，并不會加載到內存中，而且代碼和數據段的初始值是混合存放在Flash中的。

Part3函數

如上圖所示，Add函數其實就是8條匯編指令，調用函數就是讓CPU的PC寄存器等于8條指令的首地址，也就是函數地址。如上圖，main函數開辟一次棧，SP位于上圖紅色位置，棧里有變量a和b以及main函數的返回地址lr。

在調用Add函數的時候，會再壓一次棧，SP位于上圖綠色位置，這次壓入了Add函數的返回地址lr，以及形參v，再執(zhí)行SUB語句為局部變量a開辟空間，SP位于上圖藍色位置。

• 函數傳參通過寄存器r0實現(xiàn)，在PUSH的時候，r0中已經有了實參，然后將實參壓入調用函數的棧中成為形參。

然后執(zhí)行LDR和STR將形參的值拿到局部變量a中，再進行加一操作，操作完畢后將結果再度寫入到形參v的位置，當函數返回時，執(zhí)行LDR將運算結果存入r0寄存器中，然后POP出棧操作，SP重新位于上圖紅色位置。

• 函數返回值的時候，同樣通過r0實現(xiàn)，SP雖然向上移動了，但是r0中有返回值。

調用函數結束后，執(zhí)行STR將r0中的運算結果寫入到變量b。

如上圖，main函數在調用Add_Sum函數的時候，一次傳入了八個變量，賦了初值以后，將其中的四個變量交給了寄存器r3-r7，然后執(zhí)行STM sp,[r8-r11]，將剩下的四個變量繼續(xù)壓棧。

• STM：一次存儲多個寄存器中的值到指定位置。

在執(zhí)行Add_Sum函數的時候，執(zhí)行LDM r5,[r5-r7,r12]，從棧中將后四個變量取出來，再與寄存器r3-r7中的四個值一起求和，最后將結果返回。

• LDM：一次讀取多個值到多個寄存器中。

調用函數時，如果傳入的變量比較多，或者是數組的話，由于沒有那么多的寄存器可以做中間人，所以會將這些變量繼續(xù)壓入調用方的棧中，被調用函數在用的時候從調用方的棧中拿走進行拷貝。

這就是為什么我們在函數中改變形參，并不影響實參的原因，因為在函數中形參是實參的拷貝，它位于函數的棧中，調用方的棧并不受影響。

Part4指針變量

如上圖，創(chuàng)建了一個int類型的變量，一個char類型的變量，一個int* 類型的變量，一個char* 類型的變量，從匯編處可以看出，指針變量同樣要在棧中占用空間，只是初始化的時候，指針變量賦值的是地址，如ADD r2,sp,#0x04，就是將棧頂指針向上移動4個字節(jié)后的地址賦值給為int* pa變量占坑的r2。

• 指針變量仍然是變量，是變量就要占據內存空間，和普通的變量沒有區(qū)別，只是它的值是地址而已。

在訪問這兩個指針變量時，*pa = 20，執(zhí)行了STR r0,[r2,0x00]，一次給變量a寫入四個字節(jié)，*pb = 'B'，執(zhí)行了STRB r0,[r11#0x00]，一次給變量b寫入一個字節(jié)。

• STRB：存儲一個字節(jié)數據，作用和STR一樣，只是寫入字節(jié)是一個字節(jié)。

訪問不同類型的指針，底層會有不同的策略，讓CPU以對應的視角去操作對應的內存。如*pa，CPU就會認為它現(xiàn)在訪問地址處的變量是一個int類型，而不是一個char類型。

如上圖，創(chuàng)建函數指針變量int(*pf)(volatile int)，將函數Add地址賦值給變量pf。執(zhí)行LDR r4,[pc,#12]到Flash的0x0800 0158處取函數地址為0x0800 0131。

但是我們看到函數的8條指令的起始地址是0x0800 0130，與r4中取到的函數地址相差1，這是因為在0x0800 0158處存放的0x0800 0131代表兩層意思。

• 函數地址的最低位為1表示該函數使用的是Thumb指令集，這個1和實際地址沒有關系。
• 該值減去1才是真正的函數起始地址，也就是0x0800 0130。

無論什么類型的指針變量，它里面存放的都是相應變量的首地址，包括函數指針變量，再通過策略決定CPU讀寫該首地址后面幾個字節(jié)。

Part5結構體和聯(lián)合體

如上圖，創(chuàng)建一個局部結構體變量，有三個成員變量int age，char sex，int score，并且給它們初始化。先執(zhí)行LDR拿到在Flash中存放初始值的地址0x0800 0144到r2中，然后再執(zhí)行LDM從初值起始地址開始讀取初值0x0000 18，0x0000 00001，0x0000 0064，對應著24，1，100。

• 結構體初始化時，初值存放在Flash中，需要讀取到寄存器中，然后再賦值給結構體各個成員。

通過調試窗口查看三個成員的地址，發(fā)現(xiàn)成員之間的地址相差4個字節(jié)，其中int age和int score是四字節(jié)變量占用4個空間，但是char sex是一字節(jié)變量也占用四個空間。

如上圖中SRAM示意圖所示，此時sex的四個字節(jié)中只用了一個字節(jié)，浪費了三個字節(jié)。

• 為了提高結構體的訪問效率，結構體變量在存放時會進行內存對齊。

如上圖，數據線和地址線都是32位的，也就是4字節(jié)，除此之外還有四根控制線be0,be1,be2,be3。無論是訪問還是寫入，CPU一次操作都是四個字節(jié)的內存。

當be0有效時，CPU操作4個字節(jié)中第1個字節(jié)的空間，be1有效就操作第2個字節(jié)的空間，be2有效就操作第3個字節(jié)的空間，be3有效就操作第4個字節(jié)的空間。

如果操作的是第一個4字節(jié)中的3個字節(jié)和第二個4字節(jié)的1個字節(jié)組成的四字節(jié)空間，CPU就需要操作兩次，第一次操作時be1,be2,be3有效，第二次操作時be0有效，最后組合得到需要的數據。

采用結構體內存對齊方案，雖然char sex浪費了三個字節(jié)的空間，但是在操作int score的時候，可以一次性操作完畢，不需要第二次。

• 結構體對齊利用了以空間換時間的思想。

如上圖，創(chuàng)建一個位段結構體，成員age和sex都只占用int的32個比特位中的1個比特位，成員score占4個字節(jié)32個比特位。

先執(zhí)行LDR取數據，然后執(zhí)行BIC r0,r0,#0x01將r0中的32個比特位的第一個比特位清0，然后再執(zhí)行ADDS r0,r0,#1讓第一個比特位的值成為1，此時給int age:1初始化完成。

• BIC：清除指定比特位，讓該位為0。

同理，再給int sex:1初始化為1，也就是讓32個比特位中的第二個比特位為1。此時還剩下30個比特位被浪費掉了，下一個int score占用完整的32個比特位，同樣是為了提高效率。

如上圖，結構體中又增加了一個聯(lián)合體成員union weight，char kg和int g兩種類型的變量共用這一個空間。而且可以看到，weight，kg，g三者的地址都是0x2000 FFF8。

在給成員kg賦值80的時候，整個weight空間的值是0x0000 0050，在給成員g賦值的時候，整個weight空間的值是0x0001 3880。操作char類型成員，只改變4個字節(jié)中的一個字節(jié)，操作int類型成員，則4個字節(jié)全部改變。

對應的匯編代碼中，操作char成員使用的是STRB，操作int成員使用的是STR。

Part6總結

如上圖便是在這篇文章中講解的ARM架構部分模型，以及常用C語言知識在ARM架構中是如何體現(xiàn)的。

程序在經過預處理，編譯，匯編，最后再經過連接器分配地址形成.axf，.bin，或者.hex等類型的文件，這幾種文件中的內容全部都是機器碼。

將最終的機器碼燒錄到單片機中，單片機一上電就開始執(zhí)行這些機器碼，執(zhí)行過程中是沒有編譯器，電腦系統(tǒng)的參與的，無論是變量的定義，初始化，還是內存空間的分配，你還能說是自動完成的嗎？

所以說，當程序在單片機中開始運行的時候，它的一切就早被安排好了，就是按照前面所講述的去安排設計的，CPU只需要按照機器碼執(zhí)行即可。