深入解析 MCU 内存架构：Flash、RAM、代码与变量存储详解 .rodata .text heap stack .bss .data code RO-data RW-data ZI-data

1. MCU 内存概述

1.1 MCU 内存计算

以 STM32F103CBT6 为例，在 Keil 中可以看见，该款型号 MCU 的 Flash, RAM 大小为：

​可以看出 Flash 的地址范围为 0x08000000 ~ 0x08010000，大小为 0x10000（16⁴ byte = 2¹⁶ byte,所以为 2⁶ KB = 64 KB）,同理 RAM 的地址范围为 0x20000000 ~ 0x20005000，大小为 0x5000（5 * 16³ byte = 5 * 2¹² byte,所以为 5 * 2² KB = 20 KB）

1.2 内存分布结构

• 64KB Flash（用于存放 .text 和 .rodata）
• 20KB RAM（用于 .data、.bss、栈和堆）

程序的典型内存分布：

​stm32 由于是 32 位地址总线，所以地址位用八位十六进制数表示（16⁸ = 2³²）。

pgsql复制编辑+------------------+ 0x08010000 （Flash 结束）| .rodata | 只读数据（Flash）+------------------+| .text | 代码段（Flash）+------------------+ 0x08000000 （Flash 起始）+------------------+ 0x20005000 （RAM 结束）| Heap | 动态分配（malloc）+------------------+| Stack | 栈（局部变量、返回地址）+------------------+| .bss | 未初始化数据（RAM）+------------------+| .data | 已初始化全局变量（RAM）+------------------+ 0x20000000 （RAM 起始）

注意：

1. .text 和 .rodata 只能存放在 Flash（代码和只读常量）。
2. .data 段在 Flash 里存有初值，但运行时会被复制到 RAM。
3. .bss 段不会占用 Flash，但会在 RAM 里初始化为 0。
4. 栈和堆共享 RAM，栈 Stack 从 高地址 0x20005000 向低地址 方向增长，堆 Heap 从 低地址 0x20000000 向高地址 方向增长。
5. 当 Stack 和 Heap 彼此增长到一个临界点（即二者相遇），就会导致 Stack Overflow（栈溢出）。

2.ARM 编译器中的存储字段

​在 Keil 或 ARM GCC 编译器的 Program Size 统计信息中，列出了四个关键字段：

• Code（.text） → 程序代码
• RO-data（.rodata） → 只读数据
• RW-data（.data） → 已初始化的全局/静态变量
• ZI-data（.bss） → 未初始化的全局/静态变量

示例：Keil 编译器的存储统计

​上图显示了，该程序的内存统计信息如下：

• Code=13996 byte
• RO-data=312 byte
• RW-data=156 byte
• ZI-data=12156 byte

3. 存储区域的详细解析

​MCU 代码和变量在存储时会被划分到不同的区域，各个区域用途如下：

存储区域 用途 存储位置 .text（Code） 存放编译后的程序指令（代码） Flash（只读） .rodata（RO-data） 存放只读常量（const 变量等） Flash（只读） .data（RW-data） 已初始化的全局/静态变量 Flash + RAM .bss（ZI-data） 未初始化的全局/静态变量，启动时清零 RAM（自动清零） Heap（堆） malloc() 动态分配的内存 RAM（向上增长） Stack（栈） 局部变量、函数调用返回地址 RAM（向下增长）

3.1 .text段（存储 code）

• 存储内容：存放程序指令，即 CPU 执行的代码。
• 存储位置：通常存放在 Flash（ROM），因为代码是固定的，不需要在运行时修改。
• 特点：
  • MCU 复位后，程序从 Flash 读取指令并执行。
  • 代码段通常是只读的，防止意外修改。
  • C 语言的函数和中断服务函数都存放在这里。
• 示例：

void func(void) { // func 的指令代码存放在 .text 段 // do something}

3.2 .rodata 段 （存储 RO-data，Read-Only Data）

• 存储内容：存放只读数据，如 const 修饰的全局变量、字符串常量等。
• 存储位置：通常存放在 Flash，因为这些数据不会被修改。
• 特点：
  • 只能被读取，不能修改。
  • 对于资源有限的 MCU，尽量让数据存放在 Flash，而不是占用 RAM(不需要改变的常量可以用 const 修饰)。
• 示例

const char message[] = \"Hello, World!\";

3.3 .data 段（存储 RW-data，Read-Write Data ）

存储内容：存放已初始化的全局变量/静态变量。

存储位置：

• 编译时：数据存放在 Flash。
• 程序运行时：MCU 启动代码（Startup 文件）会在程序启动时，将 .data 段的数据从 Flash 复制到 RAM，确保变量可读写。

所以已初始化的全局变量会同时占用 Flash 和 RAM 的内存空间

• 特点：

  • 变量必须初始化，否则存放在 .bss 段。
  • 既占用 Flash 又占用 RAM（启动时复制）。

• 示例：

int a = 10; // 存放在 .data 段（Flash + RAM）static int b = 20; // 也存放在 .data 段（Flash + RAM）

3.4 .bss 段（存储 ZI-data，Zero Initialized Data ,）

• 存储内容：存放未初始化的全局变量和静态变量。
• 存储位置：直接存放在 RAM。
• 特点：
  • 上电后，系统会自动清零（由 Startup 代码完成）。
  • 变量未初始化时占用 RAM 但不会占用 Flash，因为 Flash 里没有初始值。
• 示例

int global_var; // 存放在 .bss 段，自动初始化为 0static int static_var; // 也是 .bss 段，自动初始化为 0

3.4 堆（Heap）和栈（Stack）

​除了上述四个标准段，MCU 运行时还包含 堆（Heap） 和 栈（Stack），它们都位于 RAM，但用法不同。

存储区域 作用 增长方向 堆（Heap） 存放 malloc() 动态分配的数据 向上增长 栈（Stack） 存放局部变量、函数调用返回地址 向下增长

示例：

void foo(void) { int local_var = 10; // local_var 在栈（stack） int *ptr = malloc(10); // malloc 分配的内存在堆（heap）}

4. 代码优化建议

4.1 尽可能使用 const 修饰全局变量：

• 让编译器将变量放入 Flash（节省 RAM）。

const int lookup_table[] = {1, 2, 3, 4}; // 存在 Flash，而不是 RAM

4.2 避免全局变量初始化为 0

• 让变量默认存放到 .bss，减少 Flash 和 RAM 的同时占用。

int a = 0; // 额外占用 Flashint b; // 更节省空间，存放在 .bss，自动初始化为 0

4.3 避免 malloc()，使用静态分配

• 不要频繁使用 malloc()，嵌入式系统中 RAM 资源有限，推荐使用静态数组。

// 避免动态分配，改为静态数组int buffer[256];

5. 总结

Code（.text）：存放程序代码（存储在 Flash）。

RO-data（.rodata）：存放只读数据（存储在 Flash）。

RW-data（.data）：存放已初始化的全局变量（Flash 复制到 RAM）。

ZI-data（.bss）：存放未初始化的全局变量（RAM，上电后自动清零）。

Heap（堆）：malloc() 动态分配内存（RAM）。

Stack（栈）：存放局部变量、函数调用（RAM）。

ROM (Flash) size = Code + Ro-data + rw-data;

RAM size = Rw-data + zi-data