嵌入式软件开发必知必会

一、数据段、代码段、堆栈段、BSS段的区别

进程(执行的程序)会占用一定数量的内存,它或是用来存放从磁盘载入的程序代码,或是存放取自用户输入的数据等等。不过进程对这些内存的管理方式因内存用途不一而不尽相同,有些内存是事先静态分配和统一回收的,而有些却是按需要动态分配和回收的。对任何一个普通进程来讲,它都会涉及到5种不同的数据段。下面我们来简单归纳一下进程对应的内存空间中所包含的5种不同的数据区都是干什么的。

BSS段:BSS段(bss segment)通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。

数据段:数据段(data segment)通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。

代码段:代码段(code segment/text segment)通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定,并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写,即允许修改程序。在代码段中,也有可能包含一些只读的常数变量,例如字符串常量等。

堆(heap):堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段,它的大小并不固定,可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时,新分配的内存就被动态添加到堆上(堆被扩张);当利用free等函数释放内存时,被释放的内存从堆中被剔除(堆被缩减)

栈(stack):栈又称堆栈,是用户存放程序临时创建的局部变量,也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量(但不包括static声明的变量,static意味着在数据段中存放变量)。除此以外,在函数被调用时,其参数也会被压入发起调用的进程栈中,并且待到调用结束后,函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进后出特点,所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲,我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

栈是由操作系统分配的,内存的申请与回收都由OS管理。

全局的未初始化变量存在于.bss段中,具体体现为一个占位符;全局的已初始化变量存于.data段中;而函数内的自动变量都在栈上分配空间。.bss是不占用.exe文件空间的,其内容由操作系统初始化(清零);而.data却需要占用,其内容由程序初始化,因此造成了上述情况。

bss段(未手动初始化的数据)并不给该段的数据分配空间,只是记录数据所需空间的大小。data(已手动初始化的数据)段则为数据分配空间,数据保存在目标文件中。数据段包含经过初始化的全局变量以及它们的值。BSS段的大小从可执行文件中得到,然后链接器得到这个大小的内存块,紧跟在数据段后面。当这个内存区进入程序的地址空间后全部清零。包含数据段和BSS段的整个区段此时通常称为数据区。

接下来,我们来看一个例程,我将告诉你,在程序中上面所说的究竟在什么位置,请看代码:

 1#include <stdio.h>
 2#include <stdlib.h>
 3//位于BSS段,存放在程序组未初始化的内存区域
 4 int BSS ; 
 5//位于数据段,存放在程序中已经初始化的内存区域
 6 int data = 100 ; 
 7//静态区
 8 static int y ; 
 9 int stack(void) ; 
10
11int main(void)
12{
13    //静态区
14    static int  k  ;    
15//栈区内存自动申请自动释放
16int i , j ;     
17    int *p = NULL ;
18//堆区内存手动申请手动释放
19    p = malloc(1024) ; 
20    free(p);
21    return 0 ;
22}
23  int stack(void)
24{
25    //栈区
26    int i ; 
27    return 0 ;
28}

那么,这些段最终又是怎么被加载的呢?

我们以ARM嵌入式Linux系统为例,嵌入式系统在编译链接的过程中会通过一个叫链接脚本的东西,告诉链接器,把输入的程序文件中的各个段放到输出的文件中区,然后控制各个段在内存中的布局,这样程序在运行时就有地址空间布局了。

我们来看一个简单的连接脚本:test.lds

 1//指定程序的输出格式
 2//大端、小端
 3OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-bigarm",
 4          "elf32-littlearm")
 5//输出对应平台的体系结构
 6OUTPUT_ARCH(arm)
 7//将SYMBOL的值设置成入口地址,这里一般都是_start
 8ENTRY(_start)
 9//指定共享库
10SEARCH_DIR("=/usr/local/lib"); SEARCH_DIR("=/lib"); SEARCH_DIR("=/usr/lib");
11 SECTIONS
12{
13    //表示从0x40008000这个地址开始加载各个段
14    . = 0x40008000 ; 
15    //文本段
16    .text :
17    {
18        test.o(.text);
19        *.o(.text);
20    }
21    //只读数据段
22    .rodata:{*(.rodata)}
23    //设置对齐格式为4个字节
24    align = 4 ; 
25}

二、位,字,字节,字符等基础

(1)字(Word):在ARM体系结构(32位机)中,字的长度是32位,而在8位/16位处理器体系结构中,字的长度是16位,字长是衡量计算机性能的一个重要的技术指标。

(2)半字(Half-Word):在ARM体系结构(32位机)中,半字的长度是16位,而在8位/16位处理器体系结构中,半字的长度与字的长度一致。

(3)字节(Byte):在ARM体系结构(32位机)和8位/16位处理器体系结构中,字节的长度均是8位。字节一般用于表示存储容量,例如:

1KB = 2^10B = 1024 B 1MB = 2^10KB = 1024KB = 2^20B

1GB = 2^10MB=1024MB=2^30B 1TB=2^10GB=1024GB=2^40B

(4)位(bit) :一个字节等于8bit , 1位的二进制的数码一般用0或1来表示。

(5)汉字:一个汉字由两个字节组成,如“你”,在其它编码情况下,汉字有可能也由三个字节组成。

(6)字母:一个字母由一个字节组成,如“V”

(7)字符:字符指一个字母或一个字或一个标点或一个符号,不一定几个字节,看情况定。

三、进制转换基础

(1)十进制

我们在日常生活中,只要是和钱相关的东西,我们都在使用十进制,包括我们在学习数学课程的时候,最经常用到的也是十进制。十进制也就是基数为10,逢10进1。在十进制中,一共使用10个不同的数字符号,这些符号处于不同位置时,其权值各不相同。

(2)二进制 基数为2,逢2进1。在二进制中,使用0和1两种符号。

比如:

1+1=10(这里的10是二进制的2) 1+0=1 11+1=100(这里的100是二进制的4)

如何算的呢?

如下:

(3)十六进制 基数为16,逢16进1。十六进制使用16种不同的符号,它们与二进制的转换关系为: 0:0000 1:0001 2:0010 3:0011 4:0100 5:0101 6:0110 7:0111 8:1000 9:1001 A:1010 B:1011 C:1100 D:1101 E:1110 F:1111

以上的计算,我们可以使用Window自带的计算机来进行验证,如何使用?

在程序----->附件中找到计算器,如图3-1-1所示,这个就是我们电脑附件自带的计算器,它的功能很强大。

图3-1-1 window系统自带的计算器

点击查看,选择程序员,如图3-1-2,我们就可以使用这个便捷的工具来计算了。

图3-1-2 选择程序员专用的计算器

(4)接下来,我们来看一个例子,如何将字符串中的十进制数转化为十六进制数,或者将十六进制数转化为十进制数的算法。

 1#include <stdio.h>
 2typedef char TUINT8 ;
 3typedef int  TUINT32;
 4TUINT32 Read_DecNumber(const TUINT8* str);
 5TUINT32 Read_HexNumber(const TUINT8* str); 
 6int main(void)
 7{
 8    int ret = Read_DecNumber("1000");
 9    int d = Read_HexNumber("A");
10    printf("将字符串中的数字转化为10进制数 :%d\n",ret);
11    printf("将字符串中的16进制数转化为10进制数 :%d\n",d);
12    return 0 ;
13}
14//将字符串中的数字转化为10进制数
15TUINT32 Read_DecNumber(const TUINT8* str){
16    TUINT32 value;
17    if (! str)
18        return 0;
19    value = 0;
20    while ((*str >= '0') && (*str <= '9')){
21        value = value*10 + (*str - '0');
22        str++;
23    }
24    return value;
25}
26//将字符串中的16进制数转化为10进制数
27TUINT32 Read_HexNumber(const TUINT8* str)
28{
29    TUINT32 value;
30    if (! str)
31        return 0;
32    value = 0;
33    while (1)
34{ 
35        if ((*str >= '0') && (*str <= '9'))
36            value = value*16 + (*str - '0');
37        else if ((*str >= 'A') && (*str <= 'F'))
38            value = value*16 + (*str - 'A') + 10;
39        else if ((*str >= 'a') && (*str <= 'f'))
40            value = value*16 + (*str - 'a') + 10;
41        else
42            break;      
43str++;
44    }
45    return value;
46}

编译运行结果,如图3-1-3所示。

图3-1-3 10进制数与16进制数互转的结果

当然,嵌入式软件的开发基础远不止上述内容,但最最基础的也往往逃不过这些内容。

本文分享自微信公众号 - 嵌入式开发圈(gh_d6ff851b4069)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-04-28

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