工程師干貨:?jiǎn)纹瑱C(jī)節(jié)省內(nèi)存的方法
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(duì)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(jí)的芯片用了Linux系統(tǒng)外,其他大部分操作都是比較簡(jiǎn)單的RTOS,可能還有一些簡(jiǎn)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(duì)象有更多的把控能力和理解能力。但是由于它的簡(jiǎn)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(duì)于單片機(jī)的選型和資源的評(píng)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(huì)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(jí)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(huì)問,那換芯片不就可以了嗎?我只想說這位同志你想多了,對(duì)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(cè)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?。(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(chǔ)模型受大小端的影響,我們可以通過下面的代碼進(jìn)行測(cè)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(chǔ)在低地址,低字節(jié)存儲(chǔ)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(chǔ)在高地址,低字節(jié)存儲(chǔ)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(duì)成員的改變可能會(huì)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(huì)受內(nèi)存初值影響的處理)
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
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(chǔ)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(zhǎng)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(chǔ)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(tái)的位數(shù)相關(guān)。(相關(guān)內(nèi)容可網(wǎng)絡(luò)查找)
//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(zhǎng)度10超過了char類型長(zhǎng)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(hào):最后一個(gè)bug\n"); }
04 結(jié)構(gòu)體對(duì)齊
廢話不多說,代碼說明一切:
//有字節(jié)對(duì)齊預(yù)編譯結(jié)果為:12,8//無字節(jié)對(duì)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(hào):最后一個(gè)bug\n"); }
05 算法優(yōu)化
同樣,我們?cè)谶M(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(shí)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(chǔ)方式。
參考demo:
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(cè)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(hào):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(duì)于stm32的所有存儲(chǔ)映像都在對(duì)應(yīng)工程所編譯生成的.map文件中,對(duì).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(duì)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。
-
從上面我們了解到其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(chǔ)
通過上面的測(cè)試程序顯示了const數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置,那么我們看一下該位置位于stm32的哪塊存儲(chǔ)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(duì)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)看看這些存儲(chǔ)范圍是如何分配的。
上圖來源于ST手冊(cè)Memory Mapping
很明顯前一節(jié)測(cè)試的const stDevParam變量位置0x080016b8處,正好處于FLASH存儲(chǔ)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(duì)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(dòng)不動(dòng)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(huì)出問題,于是申請(qǐng)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(huì)比RAM打上好幾倍。
這樣對(duì)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(duì)RAM的占用。
注意一點(diǎn)的是 : 訪問RAM一般來說會(huì)比訪問Flash要快一些,然而大部分項(xiàng)目對(duì)于這樣的差異影響非常之小,后面bug菌會(huì)為大家再帶來一篇文章講講這塊的知識(shí)。
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本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自最后一個(gè)bug,作者:bug菌
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