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嵌入式培训答疑|malloc在单片机和PC上的程序中使用频率不一样的原因

  • 时间:2018-05-03 17:53
  • 发布:嵌入式培训
  • 来源:嵌入式资讯精选

嵌入式培训答疑|malloc在单片机和PC上的程序中使用频率不一样的原因

今天有人问我:为什么在单片机上的程序不怎么使用malloc,而PC上经常使用的问题,我在嵌入式答疑这里做了一个小结,大家可以一起来看看:

在开始本文之前,我想先解释下什么是malloc,这样大家对后面的内容就更容易理解了:

malloc的全称是memory allocation,中文叫动态内存分配,用于申请一块连续的指定大小的内存块区域以void*类型返回分配的内存区域地址,当无法知道内存具体位置的时候,想要绑定真正的内存空间,就需要用到动态的分配内存。

从单片机上知道,在上电的那一刻,MCU的程序指针会被初始化为上电复位时的地址,从那个地址处读取将要执行的指令,由此程序在MCU上开始执行(当然在调用程序的 main之前,还有一系列其他的初始化要做,如堆栈的初始化,不过这些我们很少会去修改)。PC在上电时,和MCU差不多,不过读取的是BIOS,有它完成了很多初始化操作,最后,调用系统的初始化函数,将控制权交给了操作系统,于是我们看到了Windows,Linux系统启动了。

如果将操作系统看作是在处理器上跑的一个很大的裸机程序(就是直接在硬件上跑的程序,因为操作系统就是直接跑在CPU上的,这样看待是可以的,不过这个裸机程序功能很多很强大),那么操作系统的启动很像MCU程序的启动。前者有一个很大的初始化程序完成很复杂的初始化,后者有一段不长的汇编代码完成一些简单的初始化。这一点看,它们在流程上是很相似的。

如果是系统上的程序启动呢?它们是由系统来决定的。Linux上在shell下输入./p后,首先检查是否是一个内建的shell命令;如果不是,则shell假设它是一个可执行文件(Linux上一般是elf格式),然后调用一些相关的函数,将在硬盘上的p文件的内容拷贝到内存(DDR RAM)中,并建立一个它的运行环境(当然这里边还有内存映射、虚拟内存、连接与加载等一些其它东西),准备执行。

由以上可知,单片机上的程序和平时在系统上运行的程序,在启动时差异是很大的(如果将程序调用main以前的动作,都抽象为初始化的话,程序的启动可以简化为:建立运行环境+调用main函数,这样程序的执行差异是不大的)。因为单片机上跑的程序(裸机程序)是和操作系统一样跑在硬件上的,它们属于一个层次的。过去之所以没有区分出单片机上的程序和PC机上的程序的一些差异,就是没有弄明白这一点。

由此,以前的一些疑惑也就解开了。为什么在单片机上的程序不怎么使用malloc,而PC上经常使用?因为单片机上没有已经写好的内存管理算法的代码,而在PC上操作系统里运行的程序,libc已经把这些都做了,只需要调用就可以了。如果在单片机上想用动态内存,也可以,但是这些代码要自己去实现,并定义一个相应的malloc,有时候一些公司会给提供一些库函数可能会实现malloc,但是因为单片机上RAM内存十分有限,如果不知道它的运行方式,估计会很危险。同样,因为在PC的系统上运行的程序与裸机程序不同,裸机程序不会有动态链接,有的只是静态链接。

关于程序在执行时,从哪里读取指令,哪里读取数据,也曾因为没有弄清楚系统上的程序和裸机程序之间的区别,而疑惑了很久。虽然在《微型计算机原理》课上知道程序运行时,从内存中读取指令和数据进行执行和回写。但是单片机上只有几K的RAM,而Flash一般有几十K甚至1M,这个时候指令和数据都在内存中吗?(这里指的内存仅指RAM,因为PC上我们常说的内存就是DDR RAM memory,先入为主以至于认为单片机上也是这样,还没有明白其实RAM和Flash都是内存)?这不可能,因为课上老师只说内存,但是PC上内存一般就是DDR RAM,不会是硬盘,硬盘是保存数据的地方;由此类比时,自己把自己弄晕菜了,单片机的RAM对应于DDR RAM,那Flash是不是就对应于硬盘了呢?在CSAPP上明白了,PC上之所以都在DDR RAM上,是速度的因素。硬盘的速度太慢,即使是即将到来的SSD比起DDRRAM,还是差着几个数量级,所以拷贝到DDRRAM中。这时,一个程序的代码和数据是连续存放的,其中代码段是只读区域,数据段是可读写区域(这是由操作系统的内存管理机制决定的)。运行时,再将它们拷贝到速度更快的SRAM中,以得到更快的执行速度。

而对于单片机而言,工作频率也就几M,几十M,从Flash中与从RAM中读的差异可能并不明显,不会成为程序执行的瓶颈(而对于PC而言,Flash的速度太慢,DDR RAM的速度也是很慢,即使是SRAM也是慢了不少,于是再提高工作频率也提高不了程序的执行速度,所以一个瓶颈出现了。为了提高CPU的使用率,换个角度想一下,既然不能减少一段程序的执行时间,就在同样的时间执行更多的程序,一个核执行一段程序,两个核就可以执行两段程序,于是多核CPU成为了现在的主流)。所以裸机程序指令就在Flash(Flash memory)中存放,而数据就放在了RAM中(Flash的写入次数有限制,同时它的速度和RAM还是差很多)。更广泛说,在单片机上RAM存放data段、bss段、堆栈段;ROM(EPROM、EEPROM、Flash等非易失性存储设备)存放代码、只读数据段。本质上说,这和PC上程序都在RAM中存放是一样的,PC 上是操作系统规定了可读与可写,而单片机上是依靠不同的存储设备区分了可读与可写(当然现在的Flash是可读写的,如果Flash没有写入次数限制,速度又可以和RAM相差不多,单片机上是不是只要Flash就可以了呢(直接相当于PC上的DDRRAM)?这样成本也会比一个RAM,一个Flash低,更节省成本,对于生产商更划算)。

对于单片机程序执行时指令和数据的存放与读取,理解如下:

对单片机编程后,程序的代码段、data段、bss段、rodata段等都存放在Flash中。当单片机上电后,初始化汇编代码将data段、bss段复制到RAM中,并建立好堆栈,开始调用程序的main函数。以后,便有了程序存储器和数据存储器之分,运行时从Flash(即指令存储器,代码存储器)中读取指令 ,从RAM中读取与写入数据。RAM存在的意义就在于速度更快。

无论是单片机也好,PC也罢,存在的存储器金字塔都是一致的,速度的因素、成本的限制导致了一级级更快的存储器的更快速度与更高的成本。应该说,对于程序执行的理解,就是存储器金字塔的理解。

那么,什么是RAM,ROM和Flash呢?尽管他们都是计算机内存的一种形式,但是RAM,ROM,FLASH它们三个都以各自的方式和他们存储的数据进行交互。下面对每种内存有一个简短的说明。

RAM:表示随机访问内存(random access memory):微处理器可以读写访问的内存。当我们创建一些东西时,它是在内存中完成的。RAM是内存,反之亦然。

ROM:表示只读内存:微处理器可以读ROM,但是不能写入或修改。ROM是永久性的。ROM芯片经常保存一些重要且永不改变的特殊计算机指令。无论何时,微处理器都可以访问到存储在ROM上的信息。因为这些指令不可被擦出,所以他们保存在ROM中。

Flash Memory:是一种兼具RAM和ROM二者性质的特殊内存。我们可以像操作RAM一样,向Flash 内存写入数据;但是它又像ROM一样,数据在掉电时不丢失。悲剧的是,Flash 内存没有RAM那么快,所以任何时候都不要指望它能取代标准的计算机内存。

恭喜你阅读完了本文《嵌入式培训答疑|malloc在单片机和PC上的程序中使用频率不一样的原因》,在这篇文章中你了解了什么是malloc,也了解了malloc在单片机和PC上的程序中使用频率不一样的原因,更了解了什么是RAM,ROM和Flash,收获颇丰。如果你还想了解更多嵌入式相关的知识或者想通过嵌入式培训做一名嵌入式工程师,欢迎来达内嵌入式培训机构进行咨询。

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