嵌入式开发如何统计运行占据内存

李肖遥

发布于 2022-12-22 02:48:42

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代码可运行

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整理：技术让梦想更伟大 | 李肖遥

1、各抒己见

小明说：想要计算一段算法在所占用的内存
A（笔者）：
- 建议看map文件，map文件可以看到data 段的一些占用size，以armcc 为例，以.o为单位，统一一个.o文件中的data段的size。
- 所以我建议他放在一个文件，可以看到这个算法中.o文件的data段的大小，即就是全局变量以及静态变量所占用的size。
- 如果有malloc的话，会另算。
- 栈空间这块的，我没有考虑，栈是循环利用的，不是光算法占用，但是实际也应该考虑，如果栈消耗太大，则也会存在问题。
- 听同学说，如果代码需要放在内存中执行，那么这部分Code也需要占内存。
B：认为：
- 全局所需内存=全局变量（静态内存部分）+ 局部变量（动态栈内存部分）+malloc（动态堆内存部分），
- map只能统计静态部分，不能统计动态部分，因为map是编译静态产生的，
- 动态内存分为栈和堆，栈体现在动态变化的，
- map文件中，局部变量是看不到，即便是偏移地址，而在汇编中是可以看到的，（栈中的偏移地址）
C:认为：
- 局部变量是静态内存，编译时确定，map里面局部变量的地址是相对于函数的偏移。
- 函数大小包括局部变量大小
- 动态内存只有堆，没有栈，如果局部变量很大，则会看到函数的体积变大
- 编译出可执行程序后，栈空间就不会增大了。
- 递归多次，只会增大函数的体积，不会栈超，栈超了链接器会报错。
- map文件可以看出栈小，导致栈溢出的问题。

2、笔者分析

笔者来说说看法，经过试验得出的结果，以ARMCC、IAR以及GCC为例

2.1 ARMCC 分析

以一个例程来分析，led.c 最简单的

u32 LEDValue1 = 0XFFFF;
const u32 LEDValue2=0XFFFF;
u32 LEDValue3[4];

void LED_Init(void)
{      
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);//使能GPIOF时钟
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_CRC, ENABLE);
 
  //GPIOF9,F10初始化设置
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12 |GPIO_Pin_13| GPIO_Pin_14;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;//上拉
  GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);//初始化
 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
  GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);//初始化

  GPIO_Write(GPIOD,LEDValue1);  //以下代码都是为了测试
  GPIO_Write(GPIOE,LEDValue2);
  LEDValue3[0]=0XFFFF;
  GPIO_Write(GPIOE,LEDValue3[0]);
}
void LedRun()
{
  GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_5);
  GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_5);
}
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132

2.1.1 笔者A观点

然后打开生成的map文件，可以看到具体编译好的信息，很方便分析单个.o文件所占用的size信息，比如该文件led.c

从上面Map信息里面看到Led.o的size情况：

Code：156 Byte
RW Data：4Byte
ZI Data：16Byte
RO Data：0Byte

所以如果算法单独使用了一个.o文件，在armcc下，很容易分析出数据的空间使用大小。但是栈的空间+堆的空间没有统计到，

堆是运行态的，静态编译出来的无法统计到，需要具体的情况具体分析，单独去看malloc这种，或者自己内存管理的空间申请。

至于栈的使用空间，编译阶段可能不知道，因为编译阶段不知道调用关系，而链接的时候则由链接器将多个.o文件组织起来，所以可以知道调用关系，

一个链接选项：–callgraph 就可以生成调用关系，
同时会分析出使用栈的情况。从下图可以看到 main->LED_Init->GPIO_Init ,LED_Init 初始化使用栈24Byte，

接着来分析一下，为啥LED_Init函数的栈使用了24Byte空间。

大家都知道，数据的运算以及函数的调用，都会用到寄存器，而用寄存器之前需要保存寄存器，所以栈主要是用来保存该函数用到的寄存器，来看一下汇编，很容易就明白了。

push的时候，都是4字节对齐的（寄存器都是32位的），所以总共push了6个寄存器，总共24Byte。

push {r2-r6,r14} 
1

从上文可以看到LED.o共使用了156Byte，

从map文件中来看，两个函数分别是116Byte + 24Byte，共140Byte，由上文可知，共156Byte，那么16Byte就是上文中的inc.data，就是Code中用到了一些数据，这些数据无法直接访问，需要开辟一块单元来存储这些数据地址，然后才可以加载。如下面第二张图所示，比如0x40021000，很明显这个就不是Code的地址或者RAM的地址，就是一个外设地址（GPIOE），根据STM32的手册可以得知（下面图三）。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

上文中RW Data 或者ZI Data 符合预期，但是RO Data 很奇怪是0，因为我们本身定义了一个const的类型的数据，但是统计竟然是0，

u32 LEDValue1 = 0XFFFF;
const u32 LEDValue2=0XFFFF;
u32 LEDValue3[4];
123

这个需要从汇编入手，编译器也不傻，定义一个const 类型的数据，编译器会就生成一个RO data吗，不一定，比如本文这个，编译器直接将0xFFFF 编译到指令中，而不是从变量中加载数据，这个需要从汇编中看。

如何才能产生一个RO data呢？如果引用到变量的地址，那么肯定会产生一个RO data，因为需要分配变量地址。例如下文中这样。

  u32 *  data_p = (u32*)&LEDValue2;
  *data_p = *data_p +1;
  GPIO_Write(GPIOE,LEDValue2);
123

然后分析map文件，可以看到RO data Size 为4，led.o中有了RO的变量以及地址，也可以看到ro data的地址不是在sram，而是在flash中（ROM）中，最后汇编也为const 变量申请了存储空间（LEDValue2）

2.1.2 B同学观点

对于B同学的观点，我基本都是赞同的。补充一下：就是所需要的内存，可能还需要加上Code所需要的空间（如果有这种场景的话，在内存中允许代码）

对于栈是动态的理解，我的想法也是栈是动态变化的

函数调用完成之后，栈就释放了，还可以重新使用，
和堆相似，但是和堆不同的是，栈动态变化过程是相对固定的，就是编译器编译好指令之后，每个函数的栈使用Size就确定了，不会在变化了。
唯一变化的可能就是 一级一级的调用栈 ，这个链接器统计的有些情况可能不准，（统计最大size）
- 比如出现环形调用，统计出来的情况就不准，类似递归调用，准是有出口的，但是编译器不知道，就会统计出错。
- 还比如出现函数指针调用，编译器可能也无法统计出最大的调用栈size，无法统计出具体的调用关系。

map文件是看不到局部变量的，原因有两点，

栈是动态变化的，会覆盖掉，
而且如果多个函数调用，调用路径不一样，那么在栈中的偏移地址也不固定，所以说看不到的，
即便是汇编中，可以看到的是部分变量压栈，其他的可能还是在寄存器中使用，所以基本上地址无法确定。

map文件中看到的全局变量或者局部静态变量。

2.1.2 C同学观点

对于C同学的观点，很多我都有不同的意见，

对于第一条，map文件可以看到局部变量地址，这个我可以肯定是看不到的，除非进入函数那一刻，去获取地址，但是静态的map文件分析是看不到的。而且变量和代码是分开存放的，及时能看到，也不在同一个区域，怎么可能是函数地址的偏移呢？？？
对于第二条，函数的大小，我认为不包括局部变量的大小，局部变量的使用在栈中（寄存器），而栈的使用体现在sp的变化，也就是指令上面，从map文件中也可以看到LED_Run这个函数的大小是24Byte，在汇编中统计一下指令的大小（左边圈住的），恰好也是24Byte。

上面那个LedRun函数可能没有局部变量，那我们来加一个局部变量来看看，例如下面的代码，如果包括局部变量，那么函数的size一定会超过100，毕竟还有指令的size，实际编出来的map文件分析，看到函数大小为64，分析汇编代码，指令数也是64，可以得出结论，函数的大小是不包括局部变量的。

void LedRun()
{
  u16 LEDData[100]={123};
  u8 i=0;
  for(i=0;i<100;i++)
    GPIO_Write(GPIOE,LEDData[i]); //测试，可能没意义
  GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_5);
  GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_5);
}
123456789

o文件的大小包括了 code、data（RO RW ZI）的大小，也没包括局部变量的大小。

但是函数本身使用的局部变量空间是可以统计出来的，刚刚也看到了，通过链接器生成的信息。

216 = （1002）+ Push（44 寄存器r4 r5 r6 r14）

对于第三条，如第二条所述
第四条，程序编译好，栈空间的情况就不会变化了，这个也不是一定，比如有那种bank机制（下次介绍），由于Flash空间的限制，一些不常用的程序存放在nand里面或者其他spi nor flash里面，等用到的时候再加载，这样栈的空间使用也会相对的动态增加，当然这属于一种特殊情况。
第五条，栈超了会报链接错误，这个不会的，链接器存在环这种情况的时候，统计出来的栈使用是不准的，所以没法报错误，如果栈溢出了，可能会将其他空间踩了，引入其他bug。

举例说明，本程序的栈空间是0x400，还是刚刚的程序，同样可以编译过，没有报任何错误，还统计出来栈的使用情况（2064> 0x400(1024)）。

void LedRun()
{
  u16 LEDData[0x400]={123};
  u16 i=0;
  for(i=0;i<0x400;i++)
    GPIO_Write(GPIOE,LEDData[i]); //测试，可能没意义
  GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_5);
  GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_5);
}
123456789