函数调用在堆栈和代码内存方面如何工作？

Question

我一直试图了解内存是如何工作的，在内存方面，特别是在嵌入式系统中，在应用程序执行过程中一步一步发生了什么。更多 C/C++ 中的上下文

• 应用程序的堆栈外、堆、静态和代码内存，存储在 RAM 或易失性内存中，哪些部分存储在非易失性内存中？还是在执行应用程序时，将整个应用程序复制到 RAM 或易失性内存中？
• 调用函数时，是将该函数的所有汇编指令都复制到堆栈中还是只为函数分配内存？
• 如果只为函数实时分配内存，这意味着这些变量的地址必须添加到函数的汇编代码中，这是怎么回事？
• 当我们在 C 中为嵌入式系统编写代码时，谁在嵌入式系统堆栈内存分配等中执行所有这些操作？ MCU 中没有 OS 为我们做内存管理，所以在 MCU 中的函数调用期间谁来管理这个内存分配

Answer 1

• 应用程序的堆栈、堆、静态和代码内存不足，即 存储在 RAM 或易失性存储器中以及存储在哪个部分 非易失性存储器？或者当一个应用程序被执行时，整个 应用程序被复制到 RAM 或易失性内存中？
• 当一个函数被调用时，是否执行该函数的所有汇编指令 函数被复制到堆栈或仅分配内存 功能？
• 如果只为函数实时分配内存，这意味着 这些变量的地址必须添加到汇编代码中 函数，这是怎么发生的？

为了全面而正确地理解裸机（无操作系统和操作系统环境（嵌入式系统）、不同内存结构及其所有内部结构）中的代码执行，我建议您阅读这本书 - Extreme C (Auth: Kamran Amini)，尤其是这些部分：

1. 第 2 章：从源代码到二进制文件
2. 第 4 章：进程内存结构
3. 第 5 章：堆栈和堆

根据我的经验，异端和随机 cmets 反而会损害您的理解，您将几乎无法理解它。查阅真实的已发布内容。

Answer 2

当我们用 C 为嵌入式系统编写代码时，谁在嵌入式系统堆栈内存分配等中完成所有这些工作？ MCU 中没有 OS 为我们做内存管理，所以在 MCU 中的函数调用期间谁来管理这个内存分配

C中的程序员接口是main.c文件：

int main (){

// User code here

return 0;
}

但从技术上讲，您的 IDE（Keil uVision 或 Code Composer Studio 等）连同它的 RTE（运行时环境）组件，会在之前放置初始化和反初始化文件的编译代码（通常称为 MCU 启动代码）在此 main.c 文件之后，在为特定目标硬件（例如 Tiva C TM4C123GH6PM 或 STM32F400 等）构建（编译）源代码阶段。

这些启动/初始化文件中的代码初始化堆栈和堆内存、MCU 的时钟门控控制、设置不同的外围设备（gpio、串行、i2c 等）、中断向量表、PC（程序计数器）、 SP（堆栈指针）等以及更多其他内容。

您可以为您的目标 MCU 打开一个简单程序的调试会话，同时将其配置为“在第一个汇编指令/启动时停止”，然后执行步进操作以遍历所有代码，直到您到达 main.c 文件。

研究结果非常棒。

Answer 3

在嵌入式系统中

我假设系统没有MMU，假设有一些小型微控制器。总体而言，请注意答案很大程度上取决于特定系统的特定配置。最后，您可以根据需要将所有内容存储在易失性存储器中，并且可以通过这种方式配置微控制器。

应用程序的栈外、堆外、静态和代码内存，哪些存储在RAM或易失性内存中，哪些部分存储在非易失性内存中？

有部分，见https://www.embeddedtutor.com/2019/07/memory-layout-executable-in-embedded.html。 TBH 这真的是微不足道的——如果有什么变化，它就是易失的，如果什么没有变化并且在断电之间持续存在，它就是非易失的。比方说：

what	where
stack	volatile
heap	volatile
static	initialization of static variables is stored in non-volatile memory, static variables themselves are stored in volatile memory. I.e. data segment
Code	We live on Harvard architectures and assembly instructions do not change, so they go to non-volatile memory

或者当一个应用程序被执行时，整个应用程序被复制到 RAM 或易失性内存中？

不，它没有被复制。

但是，无论如何，您可以配置微控制器以执行来自易失性存储器的指令，例如 STM32 code_in_ram。仍然没有副本（可以有，您可以为此编写代码......），说明在那里。 IE。这一切都取决于具体的配置。

如果只为函数实时分配内存，那意味着这些变量的地址必须添加到函数的汇编代码中，这是怎么发生的？

有一个stack pointer 包含堆栈顶部的位置。它会根据是否从堆栈中添加或删除数据而增加或减少（请注意，例如在 x86 堆栈上，内存地址会向 减少 内存地址增长，就像倒置一样）。函数本身管理堆栈，而函数由 C 编译器创建，C 编译器创建代码来管理堆栈。

有一些标准指定了它在特定架构上的具体工作方式——这些标准指定了架构ABI。例如，x86-64 ABI 或 ARM ABI。它们指定使用哪些寄存器、如何使用和传递堆栈等。然后编译器“实现该 ABI”——创建符合 ABI 标准中给定规则的汇编代码。

当我们用 C 为嵌入式系统编写代码时，谁在嵌入式系统堆栈内存分配等中完成所有这些工作？

C 代码自己管理内存。编译器将它们粘合在一起。

那么谁在 MCU 中的函数调用期间管理此内存分配

我猜是代码本身？ （现在）C 标准库是用 C 编写的，有些是开源的。 Newlib 是用于嵌入式系统的流行的免费 C 标准库实现 - 您可以检查 it's malloc implementation。