代碼、數(shù)據(jù)段(精)

1、我一直對代碼是如何由多個源文件經(jīng)過編譯、鏈接并最終生成可執(zhí)行文件，再到被處理器執(zhí)行這一過程感到困惑和迷茫。直到最近在閱讀Cortex-M3權威指南Cn時，我想我可能預見到這其中的奧妙了，然而我還不確 定。在經(jīng)過查閱大部分相關資料以及對源代碼的反復調試后，最終了解了這其中的內幕。于是我便產生了一種要將其寫岀來的沖動，然而這些東西對于那些大蝦們是不屑一顧的，但也是他們不愿慷慨相授的。這些知識在網(wǎng)上也是可以查到的，但那要費相當大的周折，也很少有人將其整理岀一個清晰的線條。本打算寫成一個手冊，那就需要很大的工作量了，而且時間也不允許我這么做，于是將其中一部分核心的東西寫在這里。一個目的是讓自己從新梳理

2、一下整個流程，第二個目的就是希望有識之士一起交流。由于里面會涉及很多專業(yè)術語，所以我可以先在這里聲明一下，哪些人適合閱讀這批那文章。如果你是一個嵌入式開發(fā)者，或者電子工程師，或者你曾獨立地開發(fā)過一些小的軟件，對操作系統(tǒng)也有一些了解，但你還不了解代碼是如何被處理器執(zhí)行的，那么你是一個合適的讀者。如果你說你只用C語言寫過類似在屏幕上輸出一個Helloword!的字符串那樣的程序，并且你也不是我上面提到的那些人，我想你不適合在讀下去了。但是如果你很無聊，亦或是你有一些其它的癖好，或者你從未懷疑過自己的智商，那我將不打算攔著你。你喜歡就好。我還是要像很多人那樣，不厭其煩地列岀一堆參考書籍，這是對原著的

3、尊重。本文參考了以下手冊, 如有不一致的地方，請以原文為準。連接器與加載器、Cortex-M3權威指南Cn、stm3210 x參考手冊、Cortex-M3技術參考手冊.、EWARM_AssemblerReference、EWARM_CompilerReference、EWARM_xlink其中后三個手冊是在網(wǎng)上找不到的，原因很簡單，因為這三個手冊被包含在IAR EWAR軟件包中,它們都是英文原版的，并未有好事者將其翻譯為中文。如果你已經(jīng)準備好了，那么我們開始先了解一下讓人瘋狂的處理器。雖然處理器的制作工藝極其復 雜，然而它的工作確極其的簡單。處理器就是在不停地將數(shù)據(jù)移來移去，變來變去。因此我們

4、的工作就是告訴 處理器你要的數(shù)據(jù)在哪里，你要怎樣操作這些數(shù)據(jù)。當然這是一種相當通俗的說法，實際上要比這復雜得多， 我在后面會介紹一下Cortex-M3核執(zhí)行指令的細節(jié)。雖然Cortex-M3核是為嵌入式片上系統(tǒng)所設計的，但它已經(jīng)非常接近通用處理器了，通用處理器就是PC機上的CPU因此以Cortex-M3核來解釋本文所要探討的問題已經(jīng)足夠了。要清楚的知道代碼是如何運行的，一個很重要的問題就不能被回避，那就是程序是如何存儲的。程序是如何存儲的？程序是由可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)構成的，理解這一點是很了不起的。但是代碼和數(shù)據(jù)卻是分開存儲的，為 了詳細了解程序在存儲器內的分布情況，我將一個由IAR EWAR軟件

5、生成的存儲器鏡像文件的最后一部分列START ADDRES段的起始地址，十六進制表示在這里，以供講解用，在后面的敘述中我將用Flash代替存儲器這個稱呼，因為大量的單片機存儲器都是基于Flash技術的。因此當你看到Flash時，你要知道這是在說存儲器。（原文件名：b_large_Z39A_358d0001842f5c44.jpg引用圖片上面那張圖片向你展示了，你的程序是如何在 信息，下面將敘述理解上面那張圖所必須掌握的SEGMENTSEGMEN的中文意思是段。 就像我在開始所敘述的那樣， 代碼與數(shù)據(jù)是分開存儲的， 它們被安排到不 同的Flash空間內，這些不同的Flash空間就是這里的段。因此

6、你很自然的就會想到，段應該包括代碼段與數(shù) 據(jù)段，就是CODE SEGMEN和DATASEGMENT沒錯，就像你想的那樣，代碼段用來存儲代碼，而數(shù)據(jù)段用來存儲數(shù)據(jù)。為了讓代碼更加的安全以保證不會因非法操作而改變代碼，通常要為段設置一些訪問規(guī)則， 這些規(guī)則構成了段的屬性。例如，代碼段都是可執(zhí)行的，只讀不可修改的。而數(shù)據(jù)段是不可執(zhí)行的，可讀可修 改的。如果試圖將數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)作為代碼來執(zhí)行，將會引起故障。當你了解的更深入時，你就會理解這樣做的 重要性。然而為了更有效的管理數(shù)據(jù)和代碼，實際中對代碼段與數(shù)據(jù)段做了更為細致的劃分，這就是你為什么 會看到上圖中SEGMENT面會有諸如INTVEC ICODE和

7、COD等這么多段名字的原因。當你清楚了程序是按照 段來存儲的，那么對于上圖中的那個表我想你已經(jīng)有了一個大致的認識，但是你還不清楚，為什么會有那么多的段。因此下一步的工作，就是我們一起來分析那些段。這些段都是干什么的？這一節(jié)的內容是和編程息息相關的，你會在這里看到你所寫的代碼最終被存儲到了Flash的什么地方，當你理解了這節(jié)所介紹到的內容，你就會發(fā)現(xiàn)，指導你編寫正確代碼的原則會變得越來越少。我們關注的 仍然是上面那個表，其中各個字段的含義如下：段的名稱吉y工、3!：2 2：fi.ttMMK SMnitf0l-：4301l*：-ttKLla UttL W traiw卅泊卅泊1給給i 星帖星帖0；護

8、脫護脫-2BCODCE*1HFlash內部分布的。但是有的讀者并不清楚那張圖里所提供的SEGMENTMlTH；MlMStlEND ADDRES段的結束地址，十六進制表示staticint d;段的對齊長度，是2的ALIGN次冪。這里ALIGN都是2，就是說所有其中有兩個字段SPACE和TYPE沒有說到，這兩個字段和我們要討論的無關，另一點就是我確實記不 清楚了，因此也不敢胡亂的瞎寫！我們先看數(shù)據(jù)段，第一個數(shù)據(jù)段是DATA_ID,這個段的起始地址是0X080017E0,結束地址是0X080018A0,長度為0 x18個字節(jié)，注意這里的數(shù)據(jù)都是十六進制的。如果你使用C語言定義了一個全局變量a,并且

9、為他賦了一個初值，就像下面這樣：int a = 8；那么這個變量a就會被分配到DATA_ID段。又或者你定義了一個局部靜態(tài)變量，并且也要賦初值，像這樣:void t(voidstatic int b = 5;那么這個局部靜態(tài)變量b也會被分配到DATA_ID段。因此DATA_ID段是為具有整個程序生命周期并初始化的數(shù)據(jù)分配的空間，記住，一定是初始化的整個程序生命周期的變量。例如像下面的這兩個變量c和d就不會被分配到DATA_ID段，而是被分配到了DATA_Z段，因為這兩個變量沒有被初始化。int c；void t(void這樣你也知道了，具有整個程序生命周期且沒有被初始化的變量被分配到DATA_

10、Z段，在C語言中，這樣的變量是被編譯器初始化為0的，因此DATA_Z中的Z是Zero的第一個字母，而DATA_ID中的I你可以理解為Init的第一個字母，因此DATA_ID段是初始化的數(shù)據(jù)段，而DATA_Z段是零初始化的數(shù)據(jù)段。SIZE段的大小，以字節(jié)為單位，十六進制表示ALIGN的段都是4個字節(jié)對齊的int m = 0;這個m是被分配到DATA_ID段的，雖然它是被初始化為0，但它是我們手動初始化的我們再看DATA_C段，這是一個很容易理解的數(shù)據(jù)段，它是用來分配被標記為const類型的數(shù)據(jù)，就像下面這樣的數(shù)據(jù)。const int n = 8；還有一個DATA_I段，細心的讀者會發(fā)現(xiàn)，這個段的

11、起始地址一下子變大了很多，事實上從0 x20000000開始是RAM的起始地址，而0 x08000000對應的是flash的起始地址，因此上面兩個個數(shù)據(jù)段DATA_ID段和DATA_C段都是在Flash內，而DATA_I段和DATA_Z段是在RAM中分配的。如果你在仔細一點會發(fā)現(xiàn)DATA_I段與DATA_ID段的大小是一樣的，這是偶然還是它們之間有著某種聯(lián)系，事實上是DATA_I段是DATA_ID段的副本，它們是一樣的，不過一個在Flash內，一個在RAM內。因為程序最終是在RAM內執(zhí)行的，所以必須將這些數(shù)據(jù)復制到RAM內。而DATA_C段是為常量分配的，是不變化的，所以在RAM內沒有對應的空間。而DATA_Z段是零初始化的數(shù)據(jù)段，既然知道了這一點，就沒有必要在Flash內分配這些數(shù)據(jù)了，F(xiàn)lash內只存儲零初始化數(shù)據(jù)所需要的空間，在程序運行時再到RAM中去分配，因此DATA_Z段是被分配到RAM內的。最后一個CSTACK段也是在RAM內，這個段是為棧使用的，局部非靜態(tài)變量和子函數(shù)返回地址還有發(fā) 生中斷時的現(xiàn)場保護，都要使用棧，如果你使用過匯編，你就會對這些非常清楚。由于局部非靜態(tài)變量是在棧 內分配的，所以它的值是不確定的，使用時最好先初始化。