必看干貨：單片機(jī)節(jié)省內(nèi)存的方法

來源：最后一個(gè)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(jì)算機(jī)編程有個(gè)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(shí)在工作中往往需要控制一個(gè)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(shí)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?？偡椒ü┐蠹覅⒖肌＃ň唧w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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)人覺得也可以認(rèn)為是分時(shí)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(shí)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(gè)bit就能表示，假如說我們用一個(gè)char來存儲就幾乎浪費(fèi)了7個(gè)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(gè)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(gè)位域只能定義在同一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)，8個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)間的概念。那么當(dāng)我們內(nèi)存使用有限的時(shí)候我們可以適當(dāng)?shù)挠脮r(shí)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(jì)的時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)前同事項(xiàng)目，怎么說呢？可能這個(gè)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(gè)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(jì)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。