c语言程序的运行

13.4  C语言程序的运行

在嵌入式系统中，程序最终是要放置在内存中运行的，程序的几个段，最终会转化为内存中的几个区域。C语言可执行程序的内存布局如图13-5所示。

图13-5  C语言可执行程序的内存布局

在内存中，从低地址到高地址，依次是只读段、读写段、未初始化数据段、堆段、栈段。

映像文件中将包含代码段（Code）、只读数据段（RO Data）以及读写数据段（RW Data），未初始化数据段（BSS）将在程序的初始化阶段中开辟，堆栈在程序运行时动态开辟。

只读区（RO）包括了代码和只读数据，在内存区域中，代码段（Code）和只读数据段（Ro Data）的存放形式上基本没有区别。

对于程序运行时的内存使用，堆和栈一般是相向扩展的。堆的分配由程序决定，栈由编译器管理。

在以上概念中，只是一种内存分布，并没有考虑实际系统的情况。在实际的系统中，程序有载入和运行两个概念。嵌入式系统由两种内存，一种是可以固化只读的内存（如：ROM，Nor Flash），另一种是易失的可读写的内存（如：SRAM和SDRAM）。程序中的各个段也有需要固化和需要读写的。程序中的各段必须载入到内存的恰当位置，程序才可以运行。C语言各部分的需要固化和可写的情况如表13-2所示。

表13-2  C语言各部分的需要支持固化和可写的情况

段	需要固化	需要可写
代码（Code）	是	否
只读数据（RO data）	是	否
读写数据（RW data）	是	是
未初始化数据（BSS）	否	是
堆（heap）	否	是
栈（stack）	否	是

在嵌入式系统中，经过编译的C语言程序可以通过操作系统运行，也可以在没有操作系统的情况下运行。程序存放的位置和运行的位置通常是不一样的。

一般情况下，经过编译后的程序存储在Flash或者硬盘中，在运行时需要将程序加载到RAM中。嵌入式系统的Nor Flash和硬盘还有一定的差别，在硬盘的程序必须加载到RAM中才可以运行，但是在Nor Flash中的程序可以通过XIP（eXcutive In Place）的方式运行。

在嵌入式系统中，C语言程序的运行包括3种类型：第一种是调试阶段的程序运行，这个阶段程序存放的位置和运行的位置是相同的；第二种是程序直接在Flash中运行（XIP）；第三种是将Flash或者硬盘中的程序完全加载到RAM中运行。

在C语言程序的运行中，存在着两个基本的内存空间，一个是程序的存储空间，另一个是程序的运行空间。程序的存储空间必须包括代码段、只读数据段和读写数据段，程序的加载区域必须包括读写数据段和未初始化数据段如表13-3所示。

表13-3  C语言各部分使用的存储空间

段	代码	只读数据	读写数据	未初始化数据
程序的存储空间（ROM）	需要			不需要
程序的加载空间（RAM）	不需要		需要

由于程序放入系统后，必须包括所有需要的信息，代码表示要运行的机器代码，只读数据和读写数据包含程序中预先设置好的数据值，这些都是需要固化存储的，但是未初始化数据没有初值，因此只需要标示它的大小，而不需要存储区域。

在程序运行的初始化阶段，将进行加载动作，其中读写数据和未初始化数据都是要在程序中进行“写”操作，因此不可能放在只读的区域内，必须放入RAM中。当然，程序也可以将代码和只读数据放入RAM。

在程序运行后，堆和栈将在程序运行过程中动态地分配和释放。

13.4.1  RAM调试运行

本节介绍程序的一种特殊的运行方式，即在程序的调试阶段将主机的映像文件直接放置到目标系统的RAM中。在这种应用中，RAM既是程序的存储空间，也是程序的运行空间。

在嵌入式系统中，这是一种常用的调试方式，而不是通常的运行方式。在通常的运行方式下，程序运行的起始地址一 般不可能是RAM。RAM在掉电之后内容会丢失，因此系统上电的时候，RAM中一般不会有有效的程序。但是在程序的调试阶段，可以将程序直接载入RAM， 然后在RAM的程序载入地址处运行程序。

嵌入式系统RAM中的调试程序的内存布局如图13-6所示。

图13-6  RAM中的调试程序的内存布局

这是一种相对简单的形式，因为代码段的存储地址和运行地址是相同的，都是RAM（SDRAM或者SRAM）中的地址。在这种情况下，程序没有运行初始化阶段加载的问题。

从主机向目标机载入程序的时候，程序映像文件中代码段（code或text）、只读数据段、读写数据段依次载入目标系统RAM（SDRAM或者SRAM）的空间中。

程序载入到目标机之后，将从代码区的地址开始运行，在运行的初始化阶段，将开辟未初始化数据区，并将其初始化为0，在运行时将动态开辟堆区和栈区。

在没有操作系统的情况下，开辟内存的工作都是由编译器生成的代码完成的，实现的原理是在映像文件中加入这些代 码。主要工作包括：在程序运行时根据实际大小开辟未初始化的数据段；初始化栈区的指针，这个指针和物理内存的实际大小有关；在调用相关函数 （malloc、free）时使用堆区，这些函数一般由调用库函数实现。表13-4列出了C语言程序在RAM中的调试过程。

表13-4  C语言程序在RAM中的调试过程

阶段	涉及的部分	主要工作
程序的映像	代码段（Code） 只读数据段（RO Data） 读写数据段（RW Data）	将程序放置在RAM中
初始化阶段	未初始化数据段（BSS）	开辟BSS段并且清零
运行阶段	代码段（Code） 只读数据段（RO Data） 读写数据段（RW Data） 未初始化数据段（BSS） 堆（heap） 栈（stack）	运行RAM代码段中的程序，动态地在RAM中开辟堆和栈

知识点：程序直接载入RAM运行时，程序的加载位置和运行位置是一致的，因此不存在段复制的问题，需要在初始化阶段开辟未初始化区域，在运行时使用堆栈。

13.4.2  固化程序的XIP运行

固化应用是一种嵌入式系统常用的运行方式，其前提是目标代码位于目标系统ROM（Flash）中。ROM中的区域包括映像文件的代码段（code或text）、只读数据段（RO Data）、读写数据段（RW Data）。

以XIP（在位置执行）方式运行程序时内存布局如图13-7所示。

代码的运行也是在ROM（Flash）中，因此，在编译过程中代码的存储地址和运行地址是相同的，由于上电时需要启动，因此该代码的位置一般是（0x0）。

在这种应用中，一件重要的事情就是将已初始化读写段的数据从Flash中复制到SDRAM中，由于已初始化读写段既需要固化，也需要在运行时修改，因此这一步是必须有的，在程序的初始化阶段需要完成这一步。

图13-7  XIP运行程序时的内存布局

一般来说，在编译过程中需要定义读写段和未初始化段的地址。在程序中可获取这些地址，然后就可以在程序的中加入复制的代码，实现读写段的转移。表13-5列出了C语言程序的XIP运行过程。

表13-5  C语言程序的XIP运行过程

阶    段	涉及的部分	主要工作
程序的映像	代码段（Code） 只读数据段（RO Data） 读写数据段（RW Data）	程序放置在Flash中
初始化阶段	读写数据段（RW Data） 未初始化数据段（BSS）	复制读写数据段到RAM中 开辟未初始化段并且清零
运行阶段	代码段（Code） 只读数据段（RO Data） 读写数据段（RW Data） 未初始化数据段（BSS） 堆（heap） 栈（stack）	运行Flash代码段中的程序，动态地在RAM中开辟堆和栈

知识点：程序在ROM或者Flash中以XIP形式运行的时候，不需要复制代码段和只读数据段，但是需要在RAM中复制读写数据段，并另辟未初始化数据段。

13.4.3  固化程序的加载运行

在某些时候，在存放程序的位置是不能运行程序的，例如程序存储在不能以XIP方式运行的Nand-Flash或者硬盘中，在这种情况下，必须将程序完全加载到RAM中才可以运行。固化程序加载运行的内存布局如图13-8所示：

 

图13-8  固化程序加载运行的内存布局

依照这种方式运行程序，需要将Flash中所有的内容全部复制到SDRAM或者SRAM中。在一般情况 下，SDRAM或者SRAM的速度要快于Flash。这样做的另外一个好处是可以加快程序的运行速度。也就是说，即使Flash可以运行程序，将程序加载 到RAM中运行也还有一定的优势。

这样做也产生了另外一个问题：代码段的载入地址和运行地址是不相同的，载入地址是在ROM（Flash）中，但是运行的地址是在RAM（SDRAM或者SRAM）中。对于这个问题，不同的系统在加载程序的时候有不同的解决方式。

C语言固化程序的加载运行过程如表13-6所示。

表13-6  C语言固化程序的加载运行时各段的情况

阶    段	涉及的部分	主要工作
代码的映像	代码段（Code） 只读数据段（RO Data） 读写数据段（RW Data）	将程序放置在Flash中
初始化阶段	代码段（Code） 只读数据段（RO Data） 读写数据段（RW Data） 未初始化数据段（BSS）	加载代码段和只读数据段到RAM中 复制读写数据段到RAM中 开辟未初始化段并且清零
运行阶段	代码段（Code） 只读数据段（RO Data） 读写数据段（RW Data） 未初始化数据段（BSS） 堆（heap） 栈（stack）	运行RAM代码段中的程序，动态地在RAM中开辟堆和栈

知识点：固化程序在加载运行时，需要复制代码段、只读数据段和读写数据段到RAM中，并另辟未初始化数据段，然后在RAM中运行程序（执行代码段）。

以这种加载方式的运行程序，另外一个重要的问题 是：如何把代码移到RAM中。在有操作系统的情况下，代码的复制工作是由操作系统完成的，在没有操作系统的情况下，处理方式相对复杂，程序需要自我复制。 显然，这种方式实现的前提是代码最初放置在可以以XIP方式执行的内存中。

程序本身复制的过程也是需要通过程序代码完成 的，这时需要程序中的代码根据将包含自己的程序从ROM或者Flash中复制到RAM中。这是一个比较复杂的过程，程序的最前面部分是具有复制功能的代 码。系统上电后，从ROM或者Flash起始地址运行，具有复制功能的代码将全部代码段和其他需要复制的部分复制到RAM中，然后跳转到RAM中重新运行 程序。

固化程序加载复制和跳转过程如图13-9所示。

图13-9  固化程序加载复制和跳转过程

在代码的前面一小部分是初始化的内容，这部分内容中有一部分是复制程序，这段复制程序将代码段复制至RAM中，当这段初始化程序运行完成后，将跳转到RAM中的某个地址运行。

13.4.4  C语言程序的运行总结

在上面几节，主要介绍了C语言运行时内存的使用 情况。其关注点是程序中主要的段，事实上，程序可能不仅包括了上述主要段，还可能包括一些头信息。程序实际的运行也分为在操作系统下运行和直接运行等情 况。在具有操作系统的情况下，程序由操作系统加载运行，加载的时候可执行程序可以是一个文件，这个文件将包含程序的主要段以及头信息。

对于Linux操作系统，目标程序是可执行的ELF（Executable and linking Format）格式；对于uCLinux操作系统，目标程序是Flat格式；对于需要在系统直接运行的程序，目标程序应该是纯粹的二进制代码，载入系统后，直接转到代码区地址执行。

事实上，无论运行环境如何，C语言程序在运行时所进行的动作都是类似的。程序在准备开始运行的时候，以下几个条件都是必不可少的：

1．代码段必须位于可运行的存储区。

2．读写数据段必须在可以读写的内存中，而且必须经过初始化。

3．未初始化数据段必须在可以读写的内存中开辟，并被清空。

对于第1点，代码段如果位于可以运行的存储区域中（例如Nor Flash或者RAM），它就不需要加载，可以直接运行；如果代码段位于不能运行的存储区域中（例如：Nand Flash或者硬盘）中，它就必须被加载到RAM运行。