【RTOS学习】单片机中的C语言

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《RTOS学习》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

本喵默认各位小伙伴都会C语言，我们平时学习C语言都是在Windows环境下学习的，对于程序执行的底层逻辑了解的不是非常清楚，本喵在这里给大家介绍一下，C语言在单片机中是如何执行的。

🍞CPU与外设

我们知道，单片机也是有CPU的，它负责执行代码，运算数据，以及发出控制信号等功能，而与CPU直接相连的设备我们称之为外设(就是集成芯片)。

本喵以STM32F103ZET6为例来讲解，该芯片使用的是ARM架构，该架构采用的是哈弗结构。

• 哈弗结构：内存和外设统一编址。

ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：

① 对内存只有读、写指令。

② 对于数据的运算是在CPU内部实现。

③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计。

比如对于a=a+b这样的算式，需要经过下面4个步骤才可以实现：

细看这几个步骤，有些疑问，a的值读出来后保存在CPU里面哪里？b的值读出来后保存在CPU里面哪里？ a+b的结果又保存在哪里？

如上图所示，CPU也是有多个部分组成的，包括ALU逻辑运算单元，控制单元，以及多个寄存器等等。

假设变量a的地址是0x12，变量b的地址是0x34，第一步的汇编代码LDR R0, [a]的意思就是将0x12地址中的值读取到R0寄存器中，第二部读取b变量同理。

• LDR + 第一操作数 + 第二操作数：就是将第二操作数的值赋第一操作数。

当变量a和变量b都被读到了CPU的寄存器中后，执行第三步汇编代码ADDR R0, R0, R1，意思是将R0和R1中的值相加，然后将结果保存到R0中。

• ADD：相加的汇编指令，可以有三个操作数也可以有两个操作数，三个操作数则后两个操作数相加，得的结构均保存到第一个操作数。

最后就是将R0中的计算结果再写回到内存中，执行第四步汇编代码STR R0,[a]，意思是将R0中的值写入到变量a的地址处0x12。

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如上图所示，由于有32根地址线，所以CPU可访问的地址范围就是0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF，就拿我们熟知的Flash和SRAM来说，它两和CPU直接相连，所以也可以看成是外设。

• Flash：用来存放用户烧录的程序，掉电数据不丢失(硬件特性)。
• SRAM：用来存放程序执行过程中的临时数据，掉电数据丢失。

Flash的地址范围是0x0800 0000 ~ 0x0807 FFFF，SRAM的地址范围是0x2000 0000 ~ 0x2000 FFFF，这是我们根据上面的图才知道的。

但是对于CPU而言，它并不知道哪里是FLASH哪里是SRAM，它只是被动的在执行代码。CPU在一上电以后就从0x0000 0000处开始执行代码(可以进行设置，以后再讲解)，直到调用了我们C代码中必须有的main函数，然后进入我们自己的逻辑当中。

🥞Flash

如上图启动文件所示，CPU会通过BL汇编语句来调用main函数，但是在这之前，还会执行LDR汇编语句来给栈顶指针SP赋值。

• BL：跳转指令，也就是让程序跳转到指定位置处执行，相当于函数调用。

我们知道，代码最终会被转换成机器码让CPU去执行，而存放这些机器码也需要空间，所以代码也是有地址的。

如上图所示，无论是调用main函数之前的汇编代码，还是main函数的代码，它们的地址都是0x0800 0xxx，距离FLASH的起始地址0x0800 0000不是很远，说明我们烧录到单片机中的代码就是存放在FLASH中的。

• 无论是main中的代码，还是前面的汇编代码，只要是从FLASH起始处开始的，都属于我们程序员写的代码。
• 芯片厂家在FLASH起始地址之前，固化了一些代码，这个暂不作说明。

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🥞SRAM(内存)

栈

当main执行起来以后，运算数据得到的临时结果或者中间数据就都会暂存到SRAM上，也就是我们平常所说的内存中。

如上图所示，在使用BL调用main函数之前，还使用了LDR给栈顶指针SP赋了初值，红色箭头指向的位置就是栈顶指针指向的位置。

代码中的局部变量，函数栈帧等等数据，全部都存放在SP开始往下的位置，因为栈的开辟是从高地址向低地址。

如上图所示，在main函数中创建两个变量a和b，加volatile的作用是防止编译器将这两个变量优化掉导致本喵无法演示现象。

• main函数也是被调用的，所以在其内部创建的变量也属于局部变量，局部变量就统统存放在栈上。

汇编代码中，在创建变量a之前先执行了一句PUSH {r2-r3,lr}汇编语句，意思是将寄存器lr，寄存器r2和r3中的值压入栈中。

• lr：寄存器存放的是函数的返回地址，其实就是CPU中的r15寄存器。
• PUSH：执行压栈操作，将数据压入到栈中后，栈顶指针向下移动。

此时向栈中压入了三个个数据，每个数据都是4字节的，所以SP向下移动了12个字节，这12个字节就可以看作当前main函数的栈帧大小。

如上图，当执行到给变量a赋值1时，执行了汇编代码MOVS r0,#0x01，表示将数值1赋值给寄存器r0。然后再执行汇编代码STR r0,[sp,#0x04]，表示将寄存器r0中的值，写入到sp + 0x04地址处。

• MOVS：将后一个操作数赋值给前一个操作数。

给变量b赋值2的时候，原理同上。所以此时在内存中就存在了1和2两个值，分别存在于sp+4和sp+0的位置处，后面用到变量a和b的时候，也是通过栈顶指针sp来找这两个值。

在这个过程中我们发现，寄存器r2和r3的的作用就是占坑，现在栈中给变量a和b占两个位置，等到STR赋值的时候将这两个位置覆盖即可。

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那如果我创建100字节大小的数组呢？难道用100个寄存器来占坑吗？显然不可能，CPU一共也没那么多寄存器。

如上图所示，创建100字节大小的数组，先开辟100个字节大小的栈空间，执行汇编语句SUB sp,sp,#0x64，表示用当前的sp值减去0X64(100的16进制)，将结果再赋值到sp中。

• SUB：用法和ADD相似，只是作用是后两个操作数做减法，得到的结果赋值给第一个操作数。

此时在SRAM(内存)上就存在一个100字节大小的栈用来存放这个str数组，此时它不使用占坑的方式了，而是直接改变SP的值来改变栈区的大小。

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数据段

如上图所示，创建两个全局变量a和b，还有一个静态变量c，在调试窗口中可以看到，变量a的地址是0x20000 0000，变量b的地址是0x20000 0004，变量c的地址是0x2000 0008，这三个变量紧挨着。

• 在C语言学习中我们知道，全局变量和静态变量是存放在数据段的。
• 先忽略为什么它们的初始值都是0这个问题。

在最前面本喵放了一张内存地址映射图，其中SRAM的地址范围是0x2000 0000 ~ 0x20000 FFFF，也就是说内存的起始地址就是0x2000 0000，而变量a，b，c从起始位置开始存放，所以说这个位置就是数据段起始位置。

如上图所示，当给变量a赋值时，先执行MOVS r0,#0x01，将数值1赋值给寄存器r0，然后执行LDR r1,[pc,#20]语句，表示从PC + 20的地址处读取数据放入到寄存器r1中。

• PC：程序计数器，实际上就是CPU寄存器中的R15，它存放程序的地址，其值永远是当前语句的下一条语句的地址。
• CPU会根据PC值去执行对应的指令。

PC + 20的值是0x0800 0016C，这是一个Flash处的地址，而该地址处的值是0x0000，由于LDR一次取四个字节的数据，所以要连0x0800 0016E处的值0x2000也要读走，两个值按照大端存储模式复原(高地址存放高字节序)，得到的值就是0x2000 0000。

所以此时寄存器r1中的值就是0x2000 0000，再执行STR r0,[r1,#0x00]汇编语句，将r0中的1写入到0x20000 0000处，也就是数据段变量a的地址处，此时就成功改变了它的值。

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堆

如上图，整个SRAM上，栈占用一部分空间，它的大小随着的SP的变化而变化，数据段占用一部分空间，但是还没有全部使用完毕，还有剩余的空闲空间，堆就建立在这部分空间上。

• 堆空间的大小并不会发生变化，它就是一块固定大小的空间，用户可以去申请使用，用完了还必须归还。

所以可以用一个大的全局数组来管理这块空间，因为全局数组存放在数据段，它的大小并不会随着SP的变化而变化，从而堆空间的大小也不会变化。

• 虽然叫做堆，但是这部分空间仍然属于数据段，只是提供了接操作这部分空间的接口。

如上图所示，本喵定义了一个全局数组char buffer[500]来充当堆，还有一个全局的index用来记录堆的使用情况，又实现了一个mymalloc用来向堆区申请空间。

全局数组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个字节，第二次mymalloc以后，得到的地址是0x2000 0074，地址相差0x64也就是100，说明这是在第一次申请的基础上再次申请的。index的值是0x12C也就是300，说明一共申请了300个字节的空间。

自定义的释放函数myfree本喵就不写了，各位小伙伴可以自行尝试。所以说，堆本质上就是就是一块空闲内存，可以使用malloc/free函数来管理它。

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为什么Flash的起始地址就是0x0800 0000，SRAM的起始地址就是0x2000 0000？不能是别的吗？

如上图所示，在MDK中，连接器选项中R/O Base是Flash基地址，用来设置Flash的起始地址，R/W Base是SRAM基地址，用来设置SRAM的起始地址。

下面蓝色框中的是连接器控制信息，里面的内容是我们程序员写的，目的是告诉连接器要做什么。

默认情况下，红色框中的SRAM起始地址是0x2000 0000，本喵将其该成了0x2000 8000，来看一下会发生什么？

如上图所示，此时代码里只有一个全局变量a，它位于数据段的起始位置，也就是SRAM的起始位置，其地址是0x2000 8000，本喵成功的修改了SRAM的起始地址。

Flash的地址也是同理，也可以通过连接器R/O Base进行修改。

🍞变量的初始化

• 变量：能改变的量，它一定在内存上占据空间，

🥞局部变量

如上图所示，在main函数中创建了局部变量a并赋值0x11223344，创建了局部变量b并赋值0x11。在汇编代码中，首先移动SP，由于只有两个变量，所以压栈r2和r3来占位。

初始化变量a的时候，先执行LDR r0,[pc,#12]汇编语句，取地址为0x0800140的Flash中取值，读取了该地址及下个地址供四个字节数据0x11223344，赋值给寄存器r0。然后再执行STR r0,[sp,#0x04]汇编语句，将r0中的0x11223344赋值给变量a所在处。

初始化变量b的时候，先执行MOVS r0,#0x11汇编语句，直接将立即数#0x11赋值给寄存器r0，然后再执行STR r0,[sp,#0x00]汇编语句，将r0中的0x11赋值给变量b所在处。

• 两个局部变量的初始化过程并不一样，初始值为4字节的变量需要去Flash中取初值，初始值为1字节的变量，直接就给赋值了。

指令也是有大小的，如0x08000132 4803 LDR r0,[pc,#12]中，0x08000132是代码所在的Flash地址，4803是代码汇编之后的机器码，大小是2字节(CPU执行的是机器码，汇编语句是为了方便我们看的，剩下的就是汇编语句)。

对于初始值为0x#11的初始化，两个字节的指令足够容纳一个字节的初值，所以直接就赋值初始化了。

对于初始值为0x11223344的初始化，两个字节的指令无法容纳四个字节的初值，所以必需取Flash中取初值到寄存器中，然后再进行赋值。

如上图，创建一个char buffer[500]数组全部用1初始化，使用BL.W指令跳转到__aeabi_memclr4处进行初始化，相当于调用了一个函数来初始化这个数组，这个函数是由编译器生成的，也是一堆汇编语句，这里本喵暂不做介绍。

如上图，当main函数执行完，执行了return 0以后，会执行POP {r2-r3,pc}汇编语句，将前面压栈时向下生长的空间回收，也就是SP向上移动。

• POP：出栈操作，将栈中的数据弹出，并且SP栈顶指针向上移动。

此时原本存放变量a和b的空间就位于栈外面了，原本的值弹出给了r0和r1，PC拿到函数的返回地址lr。

虽然a和b的内存空间还存在，但是已经不再被维护了，当有新的局部变量需要栈的时候，SP会重新向下移动，并且使用新的值覆盖掉这部分空间。

🥞全局变量和静态变量

如上图所示，定义两个全局变量a和b，初始值分别为10和20，定义一个全局静态变量，初始值为30，定义一个局部静态变量，初始值为40，当程序执行到main中时，通过调试窗口看到它们的值都是0，并没有被初始化。

如上图，在启动文件中使用BL跳转到main函数之前，需要先跳转到copy函数，将全局变量的初始值全部复制到对应数据段的地址。但是这里本喵并没有实现copy函数，所以全局变量没有被初始化。

• 全局变量的初始值是存放在Flash中的，注意是只存放初始值，不存放变量名，因为CPU执行的是机器码，机器码中并没有变量名这么一说。

copy函数的实现本喵在以后会详细介绍。

如上图，仍然是这四个变量，但是在定义都是时候都没有给初始值，没有进行初始化，但是在调试窗口看到它们的值仍然是0。

• 对于没有初始值的数据段变量，在编译的时候，编译器会用0将这些变量初始化，也就是将对应地址写0。

相当于会调用一个memset函数将这部分变量全部初始化为0。这些变量处于数据段的未初始化数据段，而前面有初始值的处于已初始化数据段。

如上图所示，便是整个数据段的内存示意图。

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在STM32F103中，代码是在FLASH中运行的，并不会加载到内存中，而且代码和数据段的初始值是混合存放在Flash中的。

🍞函数

如上图所示，Add函数其实就是8条汇编指令，调用函数就是让CPU的PC寄存器等于8条指令的首地址，也就是函数地址。

如上图，main函数开辟一次栈，SP位于上图红色位置，栈里有变量a和b以及main函数的返回地址lr。

在调用Add函数的时候，会再压一次栈，SP位于上图绿色位置，这次压入了Add函数的返回地址lr，以及形参v，再执行SUB语句为局部变量a开辟空间，SP位于上图蓝色位置。

• 函数传参通过寄存器r0实现，在PUSH的时候，r0中已经有了实参，然后将实参压入调用函数的栈中成为形参。

然后执行LDR和STR将形参的值拿到局部变量a中，再进行加一操作，操作完毕后将结果再度写入到形参v的位置，当函数返回时，执行LDR将运算结果存入r0寄存器中，然后POP出栈操作，SP重新位于上图红色位置。

• 函数返回值的时候，同样通过r0实现，SP虽然向上移动了，但是r0中有返回值。

调用函数结束后，执行STR将r0中的运算结果写入到变量b。

如上图，main函数在调用Add_Sum函数的时候，一次传入了八个变量，赋了初值以后，将其中的四个变量交给了寄存器r3-r7，然后执行STM sp,[r8-r11]，将剩下的四个变量继续压栈。

• STM：一次存储多个寄存器中的值到指定位置。

在执行Add_Sum函数的时候，执行LDM r5,[r5-r7,r12]，从栈中将后四个变量取出来，再与寄存器r3-r7中的四个值一起求和，最后将结果返回。

• LDM：一次读取多个值到多个寄存器中。

调用函数时，如果传入的变量比较多，或者是数组的话，由于没有那么多的寄存器可以作中间人，所以会将这些变量继续压入调用方的栈中，被调用函数在用的时候从调用方的栈中拿走进行拷贝。

这就是为什么我们在函数中改变形参，并不影响实参的原因，因为在函数中形参是实参的拷贝，它位于函数的栈中，调用方的栈并不受影响。

🍞指针变量

如上图，创建了一个int类型的变量，一个char类型的变量，一个int* 类型的变量，一个char* 类型的变量，从汇编出可以看出，指针变量同样要在栈中占用空间，只是初始化的时候，指针变量赋值的是地址，如ADD r2,sp,#0x04，就是将栈顶指针向上移动4个字节后的地址赋值给为int* pa变量占坑的r2。

• 指针变量仍然是变量，是变量就要占据内存空间，和普通的变量没有区别，只是它的值是地址而已。

在访问这两个指针变量时，*pa = 20，执行了STR r0,[r2,0x00]，一次给变量a写入四个字节，*pb = 'B'，执行了STRB r0,[r11#0x00]，一次给变量b写入一个字节。

• STRB：存储一个字节数据，作用和STR一样，只是写入字节是一个字节。

访问不同类型的指针，底层会有不同的策略，让CPU以对应的视角去操作对应的内存。如*pa，CPU就会认为它现在访问地址处的变量是一个int类型，而不是一个char类型。

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如上图，创建函数指针变量int(*pf)(volatile int)，将函数Add地址赋值给变量pf。执行LDR r4,[pc,#12]到Flash的0x0800 0158处取函数地址为0x0800 0131。

但是我们看到函数的8条指令的起始地址是0x0800 0130，与r4中取到的函数地址相差1，这是因为在0x0800 0158处存放的0x0800 0131代表两层意思。

• 函数地址的最低位为1表示该函数使用的是Thumb指令集，这个1和实际地址没有关系。
• 该值减去1才是真正的函数起始地址，也就是0x0800 0130。

无论什么类型的指针变量，它里面存放的都是相应变量的首地址，包括函数指针变量，再通过策略决定CPU读写该首地址后面几个字节。

🍞结构体和联合体

如上图，创建一个局部结构体变量，有三个成员变量int age，char sex，int score，并且给它们初始化。先执行LDR拿到在Flash中存放初始值的地址0x0800 0144到r2中，然后再执行LDM从初值起始地址开始读取初值0x0000 18，0x0000 00001，0x0000 0064，对应着24，1，100。

• 结构体初始化时，初值存放在Flash中，需要读取到寄存器中，然后再赋值给结构体各个成员。

通过调试窗口查看三个成员的地址，发现成员之间的地址相差4个字节，其中int age和int score是四字节变量占用4个空间，但是char sex是一字节变量也占用四个空间。

如上图中SRAM示意图所示，此时sex的四个字节中只用了一个字节，浪费了三个字节。

• 为了提高结构体的访问效率，结构体变量在存放时会进行内存对齐。

如上图，数据线和地址线都是32位的，也就是4字节，除此之外还有四根控制线be0,be1,be2,be3。无论是访问还是写入，CPU一次操作都是四个字节的内存。

当be0有效时，CPU操作4个字节中第1个字节的空间，be1有效就操作第2个字节的空间，be2有效就操作第3个字节的空间，be3有效就操作第4个字节的空间。

如果操作的是第一个4字节中的3个字节和第二个4字节的1个字节组成的四字节空间，CPU就需要操作两次，第一次操作时be1,be2,be3有效，第二次操作时be0有效，最后组合得到需要的数据。

采用结构体内存对齐方案，虽然char sex浪费了三个字节的空间，但是在操作int score的时候，可以一次性操作完毕，不需要第二次。

• 结构体对齐利用了以空间换时间的思想。

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如上图，创建一个位段结构体，成员age和sex都只占用int的32个比特位中的1个比特位，成员score占4个字节32个比特位。

先执行LDR取数据，然后执行BIC r0,r0,#0x01将r0中的32个比特位的第一个比特位清0，然后再执行ADDS r0,r0,#1让第一个比特位的值成为1，此时给int age:1初始化完成。

• BIC：清除指定比特位，让该位为0。

同理，再给int sex:1初始化为1，也就是让32个比特位中的第二个比特位为1。此时还剩下30个比特位被浪费掉了，下一个int score占用完整的32个比特位，同样是为了提高效率。

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如上图，结构体中又增加了一个联合体成员union weight，char kg和int g两种类型的变量共用这一个空间。而且可以看到，weight，kg，g三者的地址都是0x2000 FFF8。

在给成员kg赋值80的时候，整个weight空间的值是0x0000 0050，在给成员g赋值的时候，整个weight空间的值是0x0001 3880。操作char类型成员，只改变4个字节中的一个字节，操作int类型成员，则4个字节全部改变。

对应的汇编代码中，操作char成员使用的是STRB，操作int成员使用的是STR。

🍞总结

如上图便是本喵在这篇文章中讲解的ARM架构部分模型，以及常用C语言知识在ARM架构中是如何体现的。

程序在经过预处理，编译，汇编，最后再经过连接器分配地址形成.axf，.bin，或者.hex等类型的文件，这几种文件中的内容全部都是机器码。

将最终的机器码烧录到单片机中，单片机一上电就开始执行这些机器码，执行过程中是没有编译器，电脑系统的参与的，无论是变量的定义，初始化，还是内存空间的分配，你还能说是自动完成的吗？

所以说，当程序在单片机中开始运行的时候，它的一切就早被安排好了，就是按照本喵前面所讲述的去安排设计的，CPU只需要按照机器码执行即可。

• 其中地址的分配主要是由连接器完成。