嵌入式软件学习记录 - DAY6

C/C++ 内存分区详解

一、具体分区

1. 栈区（Stack）

• 存储内容：函数调用时的局部变量、函数参数、返回地址、寄存器值等。
• 特点：由编译器自动管理，后进先出（LIFO），分配速度快，空间连续。
• 示例：

  void func() {
      int a = 10;        // 栈上分配
      char arr[20];      // 栈上分配
  }
  

2. 堆区（Heap）

• 存储内容：通过 malloc/calloc/realloc（C）或 new（C++）动态分配的内存。
• 特点：手动管理，灵活但易产生碎片，分配速度较慢。
• 示例：

  int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));  // C语言
  int* cpp_ptr = new int(10);            // C++
  

3. 静态存储区（Static Storage Area）

• 存储内容：
  • 全局变量：文件作用域的变量。
  • 静态变量：用 static 修饰的变量（全局或局部）。
• 细分区域：
  • BSS 段（Block Started by Symbol）：未初始化或初始化为 0 的静态变量。
  • 数据段（Data Segment）：已初始化且初始值非 0 的静态变量。
• 特点：程序启动时分配，程序结束时释放，默认初始化为 0。
• 示例：

  int global_uninit;          // BSS段（未初始化）
  static int static_uninit;   // BSS段
  int global_init = 10;       // 数据段（已初始化）
  static int static_init = 20; // 数据段
  

4. 代码区（Text Segment）

• 存储内容：程序的可执行代码（机器指令）、常量（如字符串字面量）。
• 特点：通常只读，防止程序意外修改自身指令。
• 示例：

  const char* msg = "Hello";  // "Hello" 存储在代码区
                              // msg 变量本身在栈或静态区
  

5. 常量区（只读数据段）

• 存储内容：字符串字面量、const 修饰的全局变量。
• 特点：只读，程序运行期间不可修改。
• 示例：

  const int MAX = 100;        // 存储在常量区
  const char* str = "World";  // "World" 在常量区
  

6. 内存映射区（Memory Mapping Segment）

• 存储内容：通过 mmap 系统调用映射的文件或共享内存。
• 用途：高效文件操作、进程间通信（IPC）。
• 示例：

  // 将文件映射到内存（伪代码）
  void* addr = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
  

二、C++ 额外的内存区域（相比 C）

1. 自由存储区（Free Store）

• 说明：C++ 中通过 new 和 delete 管理的内存区域，概念上类似堆，但实现可能不同（取决于编译器）。
• 区别：
  • 堆是操作系统层面的内存管理；自由存储区是 C++ 抽象的概念。
  • new 底层可能调用 malloc，但可通过重载 operator new 自定义实现。

2. 线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）

• 存储内容：用 thread_local 修饰的变量，每个线程独立拥有一份副本。
• 示例：

  thread_local int counter = 0;  // 每个线程有自己的 counter
  

三、内存分区对比表

四、常见问题

1. 内存泄漏：堆内存未释放，导致持续占用。
2. 栈溢出：递归过深或局部变量过大，导致栈空间耗尽。
3. 野指针：访问已释放的堆内存或未初始化的指针。

理解内存分区有助于编写高效、安全的代码，避免常见的内存错误。

单片机基础知识（C51、STM32）

一、单片机的最小系统

单片机的最小系统是指让单片机能够正常工作所需的 最基本电路单元，不同型号的单片机最小系统略有差异，但核心组成部分基本一致。以经典的 51 系列单片机（如 AT89C51） 为例，其最小系统通常包括以下部分：

1. 单片机芯片（核心）

• 是整个系统的控制中心，负责执行程序、处理数据和控制外设。
• 例如 AT89C51 芯片，内部集成了 CPU、存储器、定时器、串口等模块。

2. 电源电路

• 作用：为单片机提供稳定的工作电压（通常为 5V 或 3.3V，取决于芯片型号）。
• 组成：
  • 电源输入端（如 USB 接口、电源适配器）。
  • 滤波电容（如 10μF 电解电容 + 0.1μF 瓷片电容），用于稳定电压、滤除高频干扰。

3. 时钟电路（晶振电路）

• 作用：为单片机提供工作时钟信号（主频），控制指令执行的时序。
• 组成：
  • 晶振（石英晶体振荡器，常见频率：11.0592MHz、12MHz 等）。
  • 起振电容（2 个 10~30pF 瓷片电容，连接晶振两端并接地）。
• 原理：晶振与单片机内部电路构成振荡电路，产生周期性时钟信号。

4. 复位电路

• 作用：使单片机初始化（恢复默认状态），或在程序跑飞时强制重启。
• 组成：
  • 上电复位：由电阻和电容组成（如 10kΩ 电阻 + 10μF 电容），上电时电容充电，产生短暂高电平脉冲触发复位。
  • 按键复位：在上电复位基础上并联按键，按下按键时直接触发复位。
• 复位信号：通常为高电平有效（不同芯片可能不同）。

5. 程序存储器（可选，取决于单片机类型）

• 对于无片内 ROM 的单片机（如早期的 8031），需外接 EEPROM 或 FLASH 存储器（如 AT28C64）存储程序。
• 现代单片机（如 STC89C52、STM32）通常内置 FLASH，无需外接存储器。

二、单片机的内部主要结构

单片机内部集成了多种功能模块，不同厂商和型号的架构可能不同，但基本结构类似。以下是典型单片机的内部组成：

1. 中央处理器（CPU）

• 核心部件：负责执行指令、处理数据和控制整个系统的运行。
• 组成：
  • 算术逻辑单元（ALU）：完成算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非、异或等）。
  • 控制器：产生时序信号，控制指令的读取、解码和执行。
  • 寄存器组：包括累加器（ACC）、程序状态字寄存器（PSW）、数据指针（DPTR）等，用于暂存数据和中间结果。

2. 存储器系统

单片机的存储器通常采用 哈佛结构（程序存储器和数据存储器分开）或 冯诺依曼结构（统一编址）。

• 程序存储器（ROM/FLASH）：
  • 用于存储用户编写的程序代码和常数（如查表数据）。
  • 掉电后数据不丢失（非易失性）。
• 数据存储器（RAM）：
  • 用于存储运行时的临时数据（如变量、堆栈）。
  • 掉电后数据丢失（易失性）。

3. 寄存器组

• 是 CPU 内部的高速存储单元，用于快速访问数据，包括：
  • 通用寄存器：如 51 单片机的 R0~R7，用于暂存运算数据。
  • 特殊功能寄存器（SFR）：用于控制单片机的外设模块（如定时器、串口、中断等），例如：
    • 定时器控制寄存器（TMOD、TCON）。
    • 串口控制寄存器（SCON）。
    • 中断允许寄存器（IE）。

4. 外设模块

单片机内部集成了丰富的外设，用于实现不同功能：

• 定时器 / 计数器：用于产生定时信号或计数外部事件（如 51 单片机的 T0、T1）。
• 串行通信接口（UART/USART）：用于单片机与其他设备（如 PC、传感器）的异步通信。
• 并行 I/O 口：如 51 单片机的 P0~P3 口，可配置为输入或输出模式，连接外部设备（如 LED、按键、LCD）。
• 模拟信号处理模块：
  • 模数转换器（ADC）：将模拟信号转换为数字信号（如 STM32 的 ADC 模块）。
  • 数模转换器（DAC）：将数字信号转换为模拟信号（部分高端单片机具备）。
• 中断系统：用于处理外部事件（如按键触发、定时器溢出），提高 CPU 效率。
• 其他模块：SPI、I²C 通信接口，看门狗定时器（WDT），PWM 输出等。

5. 系统总线

• 是单片机内部各模块之间传输数据、地址和控制信号的通道，包括：
  • 地址总线（AB）：传输存储器或外设的地址信号。
  • 数据总线（DB）：传输数据信号。
  • 控制总线（CB）：传输控制信号（如读 / 写命令、中断请求等）。

三、典型单片机对比（以 51 和 STM32 为例）

四、总结

• 最小系统：是单片机运行的基础，核心包括电源、晶振、复位电路和芯片本身。
• 内部结构：以 CPU 为核心，搭配存储器、寄存器和各类外设模块，通过总线协同工作。
• 学习建议：初学者可从 51 单片机入手，理解最小系统搭建和寄存器操作，再进阶到 32 位单片机（如 STM32），学习 HAL 库或寄存器编程。