STM32內存結構介紹和FreeRTOS內存分配技巧

這是我第一次使用FreeRTOS構建STM32的項目，踩了好些坑，又發現了我缺少對於操做系統的內存及其空間的分配的知識，故寫下文檔記錄學習成果。

文章最後要解決的問題是，如何恰當地分配FreeRTOS中的堆、任務棧的空間。可是在概念的理解上，也須要知道STM32內存的相關知識。因此首先大體介紹一下STM32的內存結構。

STM32內存結構

STM32的數據在物理上分別儲存在RAM和Flash中。RAM可讀可寫，掉電清零。Flash可讀不可寫，但能掉電儲存，而且通常空間比RAM大不少。

在關於如何使用RAM和Flash的問題上，STM32的內存又有了６個儲存數據段和３種儲存屬性區的概念。

６個儲存數據段

data

數據段，儲存已初始化的，且初始化不爲0的全局變量和靜態變量。

bss

Block Started by Symbol。儲存未初始化的，或初始化爲0的全局變量和靜態變量。

text

代碼段，儲存程序代碼。

constdata

儲存只讀常量。

heap

堆，存放進程運行中被動態分配的內存段。其可用大小定義在啓動文件startup_stm32fxx.s中，由程序員使用malloc()和free()函數進行分配和釋放。

stack

棧，其大小定義在啓動文件startup_stm32fxx.s中，由系統自動分配和釋放。可存放局部變量、函數的參數和返回值，中斷髮生時能保存現場。可是static聲明的局部靜態變量不儲存在棧中，而是放在data數據段。

3種儲存屬性區

RO(Read Only)

燒寫到Flash中，能夠長久保存。text代碼段和constdata都屬於RO。因爲須要掉電儲存，RO裏也保存了一份data的數據。

RW(Read Write)

儲存在RAM中。data屬於此區。上電時單片機會將Flash中保存的data類型數據複製到RAM中，以供讀寫使用。

ZI(Zero Init)

零初始化區，一樣儲存在RAM裏。系統上電時會把此區域的數據進行0初始化。bss，heap，stack均屬於這個區域。

小結

STM32的RAM上有RW和ZI兩個屬性區，裏邊包含了data，bss，堆（heap），棧（stack）這幾個數據段。這裏是程序運行的所在。

Flash中有RO區，包含了text、constdata和data三個段，這裏則是程序本體所在。

FreeRTOS中的堆

FreeRTOS中的堆也屬於ZI區，可是它與STM32內存結構中的堆並不佔用相同的空間，兩個堆同時存在。如下出現的堆(heap)表示FreeRTOS堆，另外在STM32啓動文件中定義大小的堆稱爲系統堆。

FreeRTOS內核主要使用的內存管理函數爲：

void *pvPortMalloc( size_t xSize );	//申請內存
void vPortFree( void *pv );	        //釋放內存

以上函數控制的是FreeRTOS堆；系統堆則應使用malloc()和free()來分配和釋放。

FreeRTOS有5種heap的實現方式，在STM32CubeMX中默認爲heap_4.c。這種方式能夠知足大部分使用需求，暫時不用關注其實現細節。

這一個堆的大小定義在FreeRTOSConfig.c中：

#define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)3072)

FreeRTOS建立任務時默認的任務棧大小爲128字，在32位系統中即爲128*4=512Byte，再加上TCB塊佔用84Byte，一共596Byte。而大小爲3072Byte的堆容許建立3個這樣的任務，佔用約1800Byte。堆中剩餘的部分則存放了系統內核、信號量、隊列、任務通知等數據。

須要建立更多任務時，堆的大小可自行修改。用RAM的空間減去已分配的空間，即爲能給堆分配的最大空間：

\[Space = RAM - bss - data - SysHeap - Stack \]

FreeRTOS堆和任務空間分配技巧

FreeRTOS堆和任務棧在運行中具備很強的動態性，其大小很難估計。

咱們在實際使用中，能夠先把空間調整得大一些。程序正常運行後，再經過一些API查看堆棧剩餘的空間大小，估算程序運行中需求內存空間的最大值。最後將這個最大值乘一個安全係數，獲得最終應該分配的空間大小。安全係數推薦1.3到1.5。

查看堆(heap)剩餘空間的API有：

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );	         //獲取當前未分配的內存堆大小
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );	 //獲取未分配的內存堆歷史最小值

它們返回值的單位都是字節。

須要注意的是，xPortGetFreeHeapSize() 在使用heap_3.c時不能被調用；xPortGetMinimumEverFreeHeapSize()則只能在使用heap_4.c或heap_5.c時生效。

FreeRTOS中也有查看任務棧剩餘空間的API：

UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask );

這個函數能夠獲取一個任務從建立好到調用此函數時，任務棧空間的歷史最小剩餘值(HighWaterMark)。使用這個函數時需注意，它的返回值的單位是字（STM32裏1個字長爲4個字節）。

這個API默認是關閉狀態，須要手動在Cubemx（或配置文件中）將宏INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark置爲1。

我在使用過這些API後發現，他們自己也會佔用至關的內存空間，尤爲是uxTaskGetStackHighWaterMark()，會拖慢任務運行速度。因此在程序的正式版中，應該將他們刪除。