c語言程序的運行

13.4  C語言程序的運行

在嵌入式系統中，程序最終是要放置在內存中運行的，程序的幾個段，最終會轉化爲內存中的幾個區域。C語言可執行程序的內存佈局如圖13-5所示。

圖13-5  C語言可執行程序的內存佈局

在內存中，從低地址到高地址，依次是隻讀段、讀寫段、未初始化數據段、堆段、棧段。

映像文件中將包含代碼段（Code）、只讀數據段（RO Data）以及讀寫數據段（RW Data），未初始化數據段（BSS）將在程序的初始化階段中開闢，堆棧在程序運行時動態開闢。

只讀區（RO）包括了代碼和只讀數據，在內存區域中，代碼段（Code）和只讀數據段（Ro Data）的存放形式上基本沒有區別。

對於程序運行時的內存使用，堆和棧一般是相向擴展的。堆的分配由程序決定，棧由編譯器管理。

在以上概念中，只是一種內存分佈，並沒有考慮實際系統的情況。在實際的系統中，程序有載入和運行兩個概念。嵌入式系統由兩種內存，一種是可以固化只讀的內存（如：ROM，Nor Flash），另一種是易失的可讀寫的內存（如：SRAM和SDRAM）。程序中的各個段也有需要固化和需要讀寫的。程序中的各段必須載入到內存的恰當位置，程序纔可以運行。C語言各部分的需要固化和可寫的情況如表13-2所示。

表13-2  C語言各部分的需要支持固化和可寫的情況

段	需要固化	需要可寫
代碼（Code）	是	否
只讀數據（RO data）	是	否
讀寫數據（RW data）	是	是
未初始化數據（BSS）	否	是
堆（heap）	否	是
棧（stack）	否	是

在嵌入式系統中，經過編譯的C語言程序可以通過操作系統運行，也可以在沒有操作系統的情況下運行。程序存放的位置和運行的位置通常是不一樣的。

一般情況下，經過編譯後的程序存儲在Flash或者硬盤中，在運行時需要將程序加載到RAM中。嵌入式系統的Nor Flash和硬盤還有一定的差別，在硬盤的程序必須加載到RAM中才可以運行，但是在Nor Flash中的程序可以通過XIP（eXcutive In Place）的方式運行。

在嵌入式系統中，C語言程序的運行包括3種類型：第一種是調試階段的程序運行，這個階段程序存放的位置和運行的位置是相同的；第二種是程序直接在Flash中運行（XIP）；第三種是將Flash或者硬盤中的程序完全加載到RAM中運行。

在C語言程序的運行中，存在着兩個基本的內存空間，一個是程序的存儲空間，另一個是程序的運行空間。程序的存儲空間必須包括代碼段、只讀數據段和讀寫數據段，程序的加載區域必須包括讀寫數據段和未初始化數據段如表13-3所示。

表13-3  C語言各部分使用的存儲空間

段	代碼	只讀數據	讀寫數據	未初始化數據
程序的存儲空間（ROM）	需要			不需要
程序的加載空間（RAM）	不需要		需要

由於程序放入系統後，必須包括所有需要的信息，代碼表示要運行的機器代碼，只讀數據和讀寫數據包含程序中預先設置好的數據值，這些都是需要固化存儲的，但是未初始化數據沒有初值，因此只需要標示它的大小，而不需要存儲區域。

在程序運行的初始化階段，將進行加載動作，其中讀寫數據和未初始化數據都是要在程序中進行“寫”操作，因此不可能放在只讀的區域內，必須放入RAM中。當然，程序也可以將代碼和只讀數據放入RAM。

在程序運行後，堆和棧將在程序運行過程中動態地分配和釋放。

13.4.1  RAM調試運行

本節介紹程序的一種特殊的運行方式，即在程序的調試階段將主機的映像文件直接放置到目標系統的RAM中。在這種應用中，RAM既是程序的存儲空間，也是程序的運行空間。

在嵌入式系統中，這是一種常用的調試方式，而不是通常的運行方式。在通常的運行方式下，程序運行的起始地址一 般不可能是RAM。RAM在掉電之後內容會丟失，因此係統上電的時候，RAM中一般不會有有效的程序。但是在程序的調試階段，可以將程序直接載入RAM， 然後在RAM的程序載入地址處運行程序。

嵌入式系統RAM中的調試程序的內存佈局如圖13-6所示。

圖13-6  RAM中的調試程序的內存佈局

這是一種相對簡單的形式，因爲代碼段的存儲地址和運行地址是相同的，都是RAM（SDRAM或者SRAM）中的地址。在這種情況下，程序沒有運行初始化階段加載的問題。

從主機向目標機載入程序的時候，程序映像文件中代碼段（code或text）、只讀數據段、讀寫數據段依次載入目標系統RAM（SDRAM或者SRAM）的空間中。

程序載入到目標機之後，將從代碼區的地址開始運行，在運行的初始化階段，將開闢未初始化數據區，並將其初始化爲0，在運行時將動態開闢堆區和棧區。

在沒有操作系統的情況下，開闢內存的工作都是由編譯器生成的代碼完成的，實現的原理是在映像文件中加入這些代 碼。主要工作包括：在程序運行時根據實際大小開闢未初始化的數據段；初始化棧區的指針，這個指針和物理內存的實際大小有關；在調用相關函數 （malloc、free）時使用堆區，這些函數一般由調用庫函數實現。表13-4列出了C語言程序在RAM中的調試過程。

表13-4  C語言程序在RAM中的調試過程

階段	涉及的部分	主要工作
程序的映像	代碼段（Code） 只讀數據段（RO Data） 讀寫數據段（RW Data）	將程序放置在RAM中
初始化階段	未初始化數據段（BSS）	開闢BSS段並且清零
運行階段	代碼段（Code） 只讀數據段（RO Data） 讀寫數據段（RW Data） 未初始化數據段（BSS） 堆（heap） 棧（stack）	運行RAM代碼段中的程序，動態地在RAM中開闢堆和棧

知識點：程序直接載入RAM運行時，程序的加載位置和運行位置是一致的，因此不存在段複製的問題，需要在初始化階段開闢未初始化區域，在運行時使用堆棧。

13.4.2  固化程序的XIP運行

固化應用是一種嵌入式系統常用的運行方式，其前提是目標代碼位於目標系統ROM（Flash）中。ROM中的區域包括映像文件的代碼段（code或text）、只讀數據段（RO Data）、讀寫數據段（RW Data）。

以XIP（在位置執行）方式運行程序時內存佈局如圖13-7所示。

代碼的運行也是在ROM（Flash）中，因此，在編譯過程中代碼的存儲地址和運行地址是相同的，由於上電時需要啓動，因此該代碼的位置一般是（0x0）。

在這種應用中，一件重要的事情就是將已初始化讀寫段的數據從Flash中複製到SDRAM中，由於已初始化讀寫段既需要固化，也需要在運行時修改，因此這一步是必須有的，在程序的初始化階段需要完成這一步。

圖13-7  XIP運行程序時的內存佈局

一般來說，在編譯過程中需要定義讀寫段和未初始化段的地址。在程序中可獲取這些地址，然後就可以在程序的中加入複製的代碼，實現讀寫段的轉移。表13-5列出了C語言程序的XIP運行過程。

表13-5  C語言程序的XIP運行過程

階    段	涉及的部分	主要工作
程序的映像	代碼段（Code） 只讀數據段（RO Data） 讀寫數據段（RW Data）	程序放置在Flash中
初始化階段	讀寫數據段（RW Data） 未初始化數據段（BSS）	複製讀寫數據段到RAM中 開闢未初始化段並且清零
運行階段	代碼段（Code） 只讀數據段（RO Data） 讀寫數據段（RW Data） 未初始化數據段（BSS） 堆（heap） 棧（stack）	運行Flash代碼段中的程序，動態地在RAM中開闢堆和棧

知識點：程序在ROM或者Flash中以XIP形式運行的時候，不需要複製代碼段和只讀數據段，但是需要在RAM中複製讀寫數據段，並另闢未初始化數據段。

13.4.3  固化程序的加載運行

在某些時候，在存放程序的位置是不能運行程序的，例如程序存儲在不能以XIP方式運行的Nand-Flash或者硬盤中，在這種情況下，必須將程序完全加載到RAM中才可以運行。固化程序加載運行的內存佈局如圖13-8所示：

 

圖13-8  固化程序加載運行的內存佈局

依照這種方式運行程序，需要將Flash中所有的內容全部複製到SDRAM或者SRAM中。在一般情況 下，SDRAM或者SRAM的速度要快於Flash。這樣做的另外一個好處是可以加快程序的運行速度。也就是說，即使Flash可以運行程序，將程序加載 到RAM中運行也還有一定的優勢。

這樣做也產生了另外一個問題：代碼段的載入地址和運行地址是不相同的，載入地址是在ROM（Flash）中，但是運行的地址是在RAM（SDRAM或者SRAM）中。對於這個問題，不同的系統在加載程序的時候有不同的解決方式。

C語言固化程序的加載運行過程如表13-6所示。

表13-6  C語言固化程序的加載運行時各段的情況

階    段	涉及的部分	主要工作
代碼的映像	代碼段（Code） 只讀數據段（RO Data） 讀寫數據段（RW Data）	將程序放置在Flash中
初始化階段	代碼段（Code） 只讀數據段（RO Data） 讀寫數據段（RW Data） 未初始化數據段（BSS）	加載代碼段和只讀數據段到RAM中 複製讀寫數據段到RAM中 開闢未初始化段並且清零
運行階段	代碼段（Code） 只讀數據段（RO Data） 讀寫數據段（RW Data） 未初始化數據段（BSS） 堆（heap） 棧（stack）	運行RAM代碼段中的程序，動態地在RAM中開闢堆和棧

知識點：固化程序在加載運行時，需要複製代碼段、只讀數據段和讀寫數據段到RAM中，並另闢未初始化數據段，然後在RAM中運行程序（執行代碼段）。

以這種加載方式的運行程序，另外一個重要的問題 是：如何把代碼移到RAM中。在有操作系統的情況下，代碼的複製工作是由操作系統完成的，在沒有操作系統的情況下，處理方式相對複雜，程序需要自我複製。 顯然，這種方式實現的前提是代碼最初放置在可以以XIP方式執行的內存中。

程序本身複製的過程也是需要通過程序代碼完成 的，這時需要程序中的代碼根據將包含自己的程序從ROM或者Flash中複製到RAM中。這是一個比較複雜的過程，程序的最前面部分是具有複製功能的代 碼。系統上電後，從ROM或者Flash起始地址運行，具有複製功能的代碼將全部代碼段和其他需要複製的部分複製到RAM中，然後跳轉到RAM中重新運行 程序。

固化程序加載複製和跳轉過程如圖13-9所示。

圖13-9  固化程序加載複製和跳轉過程

在代碼的前面一小部分是初始化的內容，這部分內容中有一部分是複製程序，這段複製程序將代碼段複製至RAM中，當這段初始化程序運行完成後，將跳轉到RAM中的某個地址運行。

13.4.4  C語言程序的運行總結

在上面幾節，主要介紹了C語言運行時內存的使用 情況。其關注點是程序中主要的段，事實上，程序可能不僅包括了上述主要段，還可能包括一些頭信息。程序實際的運行也分爲在操作系統下運行和直接運行等情 況。在具有操作系統的情況下，程序由操作系統加載運行，加載的時候可執行程序可以是一個文件，這個文件將包含程序的主要段以及頭信息。

對於Linux操作系統，目標程序是可執行的ELF（Executable and linking Format）格式；對於uCLinux操作系統，目標程序是Flat格式；對於需要在系統直接運行的程序，目標程序應該是純粹的二進制代碼，載入系統後，直接轉到代碼區地址執行。

事實上，無論運行環境如何，C語言程序在運行時所進行的動作都是類似的。程序在準備開始運行的時候，以下幾個條件都是必不可少的：

1．代碼段必須位於可運行的存儲區。

2．讀寫數據段必須在可以讀寫的內存中，而且必須經過初始化。

3．未初始化數據段必須在可以讀寫的內存中開闢，並被清空。

對於第1點，代碼段如果位於可以運行的存儲區域中（例如Nor Flash或者RAM），它就不需要加載，可以直接運行；如果代碼段位於不能運行的存儲區域中（例如：Nand Flash或者硬盤）中，它就必須被加載到RAM運行。