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必看干貨:單片機(jī)節(jié)省內(nèi)存的方法

工程師 ? 來源:最后一個bug ? 作者:最后一個bug ? 2020-09-11 17:13 ? 次閱讀

來源:最后一個bug

作者:bug菌

首先聊一聊

大家都知道進(jìn)行單片機(jī)編程和計算機(jī)編程有個最大的差別就是單片機(jī)的資源非常的有限,并且對于大部分低端單片機(jī)而言都沒有操作系統(tǒng)。除了一些嵌入式級的芯片用了Linux系統(tǒng)外,其他大部分操作都是比較簡單的RTOS,可能還有一些簡單的應(yīng)用或者芯片根本不用系統(tǒng),直接是裸機(jī)程序。

不過大部分單片機(jī)編程都與硬件密切的結(jié)合,這樣工程師能夠?qū)Ξ?dāng)前的項(xiàng)目對象有更多的把控能力和理解能力。但是由于它的簡單,我們平時在工作中往往需要控制一個項(xiàng)目的成本,對于單片機(jī)的選型和資源的評估都是非常謹(jǐn)慎;同樣隨著我們項(xiàng)目功能的不斷擴(kuò)展,也會讓系統(tǒng)程序逐步變得龐大,這時候資源的使用就更需要節(jié)約點(diǎn)用了。

所以當(dāng)資源受限制(一般的單片機(jī)RAM也就Kb級別),比如說單片機(jī)RAM不夠了,即使你有再牛的算法可能也無法加入到項(xiàng)目中來,那么有些同志們會問,那換芯片不就可以了嗎?我只想說這位同志你想多了,對于不怎么熱賣產(chǎn)品或者不規(guī)范的公司可能還允許你試一試,可是一般的公司項(xiàng)目卡著走的,換了主控芯片,暫且不說軟件上的移植工作,換了芯片成本上必定增加,產(chǎn)品的測試都得重新規(guī)劃,老板領(lǐng)導(dǎo)可不愿意了。

那么主控芯片換不了我們還有什么辦法呢?那我們應(yīng)該從原本的程序中擠出資源來使用了,下面我總結(jié)了幾種常總方法供大家參考。(具體內(nèi)容可以網(wǎng)絡(luò)查找)

02

共聯(lián)體-union

union-共聯(lián)體,是C語言常用得關(guān)鍵字。從字面上的意思就是共同聯(lián)合在一起的意思,union所有的成員共同維護(hù)一段能夠內(nèi)存空間,其內(nèi)存的大小取決于所有成員中占用空間最大的成員。

union結(jié)構(gòu)體由于是共用同一片內(nèi)存可以大大節(jié)省內(nèi)存空間,那一般什么情況下使用union?又或者union還有什么特點(diǎn)?下面我將用幾點(diǎn)為大家解答。

1)所有的union的成員及本身的地址是一樣的。

2)union的存儲模型受大小端的影響,我們可以通過下面的代碼進(jìn)行測試。(如果輸出結(jié)果為1,表示小端模式,否則為大端模式)

大端模式(Big_endian):一個數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址,低字節(jié)存儲在高地址。其指針指向的首地址位于低地址。

小端模式(Little_endian):一個數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在高地址,低字節(jié)存儲在低地址。其指針指向的首地址位于高地址。

3)union不同于結(jié)構(gòu)體struct,union對成員的改變可能會影響到其他成員變量,所以我們要形成一種互斥使用,比如說我們的順序執(zhí)行其實(shí)就是每個代碼都是互斥的,所以我們可以用union進(jìn)行函數(shù)處理緩存等。(個人覺得也可以認(rèn)為是分時復(fù)用,并且是不會受內(nèi)存初值影響的處理)

#include《stdio.h》typedef union _tag_test{ char a; int b;}uTest;uTest test;unsigned char Checktype(void);int main(void){ printf(“%x\n”,(unsigned int)&test.a); printf(“%x\n”,(unsigned int)&test.b); printf(“%x\n”,(unsigned int)&test); printf(“%d\n”,Checktype()); } unsigned char Checktype(void){ uTest chk; chk.b = 0x01; if(chk.a == 0x01)return 1; return 0; }

03

位域

位域可能對于初學(xué)者用得比較少,不過對于大部分參加工作的工程師應(yīng)該屢見不鮮了,確實(shí)它也是我們省內(nèi)存的神器。

因?yàn)樵谖覀兤綍r編程過程中,我們使用的變量與實(shí)際情況是息息相關(guān)的,就比如說開關(guān)的狀態(tài),我們一般就是0或者是1分別表示打開和關(guān)閉,那么我們用一個bit就能表示,假如說我們用一個char來存儲就幾乎浪費(fèi)了7個bit,如果以后也有類似的的情況,那么大部分內(nèi)存都得不到有效的應(yīng)用。所以C語言的位域就是用來解決這個問題。

不過我們需要注意如下幾點(diǎn):

1)位域是在結(jié)構(gòu)體中實(shí)現(xiàn)的,其中位域規(guī)定的長度不能超過所定義類型,且一個位域只能定義在同一個存儲單元中。

2)無名位域的使用,可以看下面的代碼。

3)由于位域與數(shù)據(jù)類型有關(guān)系,那么他的內(nèi)存占用情況也與平臺的位數(shù)相關(guān)。(相關(guān)內(nèi)容可網(wǎng)絡(luò)查找)

#include《stdio.h》//結(jié)果:編譯通過//原因:常規(guī)形式(結(jié)構(gòu)體占用兩個字節(jié))typedef struct _tag_test1{ char a:1; char b:1; char c:1; char d:6;}sTest1;//結(jié)果:編譯無法通過//原因:d的位域長度10超過了char類型長度/*typedef struct _tag_test2{ char a:1; char b:1; char c:1; char d:10;}sTest2;*///結(jié)果:編譯可通過//原因:下面使用無名位域,且占8個字節(jié)typedef struct _tag_test3{ int a:1; int b:1; int :0;//無名位域 int c:1;}sTest3;int main(void){ printf(“%d\n”,sizeof(sTest1)); printf(“%d\n”,sizeof(sTest3)); printf(“歡迎關(guān)注公眾號:最后一個bug\n”); }

04結(jié)構(gòu)體對齊

結(jié)構(gòu)體對齊問題可能大部分人關(guān)注的不是很多,可能在通訊領(lǐng)域進(jìn)行內(nèi)存的copy時候接觸得比較多。結(jié)構(gòu)體對齊問題也是與平臺相關(guān),CPU為了提高訪問內(nèi)存的效率,一次性可能讀取2個字節(jié),4個字節(jié),8個字節(jié)等,所以編譯器會自動對結(jié)構(gòu)體內(nèi)存進(jìn)行對齊。

廢話不多說,代碼說明一切:

#include《stdio.h》#pragma pack(1)//有字節(jié)對齊預(yù)編譯結(jié)果為:12,8//無字節(jié)對齊預(yù)編譯結(jié)果為:6,6typedef struct _tag_test1{ char a; int b; char c;}STest1;typedef struct _tag_test2{ int b; char a; char c;}STest2;int main(void){ printf(“%d\n”,sizeof(STest1)); printf(“%d\n”,sizeof(STest2)); printf(“歡迎關(guān)注公眾號:最后一個bug\n”); }

05

算法優(yōu)化

算法優(yōu)化其實(shí)主要是我們通過修改一些算法的實(shí)現(xiàn)一種效率與內(nèi)存使用的一個平衡,我們都知道我們的算法都存在著復(fù)雜度的問題,我們大部分高效率的算法都是通過使用內(nèi)存來換效率,也就是一種用空間換時間的概念。那么當(dāng)我們內(nèi)存使用有限的時候我們可以適當(dāng)?shù)挠脮r間來換空間的方法,騰出更多的空間來實(shí)現(xiàn)更多的功能。

同樣我們在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計的時候可以盡量使用局部變量來減少全局變量的使用!

06

利用const

1、const的使用

關(guān)于const的用法應(yīng)該是老生常談的知識點(diǎn)了,如果還有不是特別清楚的小伙伴可以參考《 一文搞定C語言const關(guān)鍵字 》一文,bug菌就不重復(fù)造輪子了,直接以stm32單片機(jī)為例看看const變量的的存儲方式。

參考demo:

#include “led.h” #include “delay.h” #include “usart.h” #define DEV_NUM_MAX (3) #define DEV_PARAM_MAX (2) typedef struct _tag_DevParam{ char* Name; //設(shè)備名稱 uint32_t Param[DEV_PARAM_MAX]; //設(shè)備參數(shù)}sDevParam; const sDevParam stDevParam[DEV_NUM_MAX] = { {“Uart1”,57600,0}, {“Uart2”,57600,1}, {“CAN”,1000000,0}, };/*************************************** * Fuction:const內(nèi)存分配測試 * Author :bug菌 **************************************/ int main(void) { uint8_t t = 0; uint8_t devCnt = 0; delay_init(); //延時函數(shù)初始化 uart_init(115200); //串口初始化 printf(“\n*******************const Test*******************\r\n”); for(devCnt = 0 ;devCnt 《 DEV_NUM_MAX;devCnt++) { printf(“DevName = %s,Param1 = %d,Param2 = %d\r\n”,stDevParam[devCnt].Name,\ stDevParam[devCnt].Param[0],\ stDevParam[devCnt].Param[1]); } printf(“stDevParam Size : %d \r\n”,sizeof(stDevParam)); printf(“stDevParam Addr : 0x%X \r\n”,stDevParam); printf(“\n***********歡迎關(guān)注公眾號:最后一個bug************\n”); while(1) { delay_ms(10); if(++t 》 150){LED0=0;}else{LED0=1;} } }

運(yùn)行結(jié)果:

分析一下:

對于stm32的所有存儲映像都在對應(yīng)工程所編譯生成的.map文件中,對.map文件(其文件在工程目錄中)的熟悉度就在一定程度上彰顯你對stm32單片機(jī)的熟練程度。

程序編譯成功以后,就可以直接在map文件中查找const修飾的數(shù)組名,從而得到如下結(jié)果:

從上圖我們了解到其stDevParam變量位置0x080016b8數(shù)據(jù)區(qū)且位于(.contdata段--只讀數(shù)據(jù)段)并占用了36個字節(jié),與我們串口輸出結(jié)果是相符合的。

2、const數(shù)據(jù)的存儲

通過上面的測試程序顯示了const數(shù)據(jù)的存儲位置,那么我們看一下該位置位于stm32的哪塊存儲區(qū)域,是RAM還是FLASH?

因?yàn)槲覀児?jié)省內(nèi)存主要就是通過占用更小的RAM來實(shí)現(xiàn)相同的項(xiàng)目需求,那么對于MCU而言最好就是的借助Flash,通過時間來置換空間,拿出對應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊看看這些存儲范圍是如何分配的。

上圖來源于ST手冊Memory Mapping

很明顯前一節(jié)測試的const stDevParam變量位置0x080016b8處,正好處于FLASH存儲位置,所以其并沒有占用RAM資源。

3、const數(shù)據(jù)使用

很多寫單片機(jī)程序的小伙伴都喜歡把一些只讀的變量用全局變量來保存,然而這些變量基本上只保存一些參數(shù),這對于單片機(jī)的RAM資源是非常浪費(fèi)的。

bug菌曾經(jīng)接手過一個前同事項(xiàng)目,怎么說呢?可能這個項(xiàng)目他也是接手別人的,該項(xiàng)目MCU還外部擴(kuò)展了一個16M的SDRAM,大家都覺得反正RAM大,變量隨便定,也不去管數(shù)據(jù)范圍,動不動就float,double,真的是牛。

直到bug菌接手內(nèi)存占用率已高達(dá)95%,后面稍微添加一些需求感覺RAM就要爆掉了,沒辦法這樣下去終究會出問題,于是申請了代碼重構(gòu),通過優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)、設(shè)計等RAM占用率直接降到了50%左右,可以想象一下之前的開發(fā)人員是多么的任性。

所以一句話說得好“前人栽樹,后人乘涼;前人挖坑,后人入fen”。前面我們分析了stm32的const數(shù)據(jù)位于Flash上,一般Flash都會比RAM打上好幾倍:(如下圖所示:)

上圖來源于ST官網(wǎng)

這樣對于一些預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)等等都可以整理以后統(tǒng)一放到類似于前面demo中這樣的結(jié)構(gòu)體數(shù)組中,從而可以大大減少對RAM的占用。

注意一點(diǎn)的是 : 訪問RAM一般來說會比訪問Flash要快一些,然而大部分項(xiàng)目對于這樣的差異影響非常之小,后面bug菌會為大家再帶來一篇文章講講這塊的知識。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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