ARM架构与FreeRTOS中的内存管理（flash与SRAM,堆栈）

在ARM架构中，内存的地址空间是如何划分的，内存映射表是怎样的

在Cortex-M7中，存储器一共有4GB的地址空间，4GB的地址空间又被划分为8个区域块，每个块有512M的内存。

Note：4GB的地址空间为 0x0000 0000 - 0xFFFF FFFF，可寻址的512M的地址空间为 0x0000 0000 - 0x1FFF FFFF，可寻址的地址是指处理器可以直接访问和寻址的存储区域，如flash，SRAM，寄存器。

Cortex-M7的4GB的地址空间存储映射：Vendor-specific device 和 Private peripheral bus一共512M

参考 Cortex‐M3 预定义的存储器映射：

在ARM架构中，分段或分片管理和 Section 切换管理是如设计的

在MCU的内存空间，通过链接脚本确定编译时静态内存分配，链接脚本以段（Segment）或片（Section）为单位进行分配，每个段和片在内存中占据连续空间.

Segment通常包含多个具有相似属性的内存区域,粒度较大，Section则描述单个连续的内存区域,粒度较细。

分片管理如下图，堆栈，.bss，.data，.rodata，.text

Section切换管理过程如下：

程序运行过程中，如果需要访问存储在其他Section(如.bss)的数据，需要进行Section级别的切换管理

程序运行过程中，CPU根据PC寄存器的值自动切换到对应的代码Section执行。

如果访问了数据Section，CPU会根据MMU/MPU的配置自动完成地址转换和权限检查。

如果发生内存访问异常，操作系统的异常处理程序会分析异常原因，并采取适当的措施,如切换到正确的Section，例如中断。

在ARM架构中，如何划分他的堆栈

栈是一种数据结构，它的特点是先进后出(First Input Last Output， FILO)。入栈和出栈都靠栈指针（Stack Pointer， SP）来维护， SP会随着入栈和出栈在栈顶上下移动。栈顶指的是当前栈指针(Stack Pointer, SP)所指向的内存地址。栈底指的是栈的起始地址,也就是栈区域在内存中的最低地址。链接脚本中_estack表示栈的结束地址，它代表了系统实际分配给栈的最高内存地址，_estack 只是一个符号,表示预留给栈使用的内存范围的上限，并不等同于实际栈使用的最高地址，栈指针(SP)寄存器记录的是当前栈顶的地址,它的值永远不会超过 _estack。

如果栈使用的空间超过了 _estack 所指向的地址,就会发生栈溢出错误。

Cortex‐M7使用的是“向下生长的满栈”模型。

栈指针 SP 指向最后一个被压入堆栈的 32 位数据。

入栈：

出栈：

举例：在MCU链接脚本中，定义堆栈的结束地址，也就是高内存地址，定义他的静态堆栈大小。在ARM-M7中SRAM主要作为使用为堆栈和数据段的内存是128k，也就是DTCM，因为他的访问速度最快。

堆栈的起始地址和之前分配的各种数据段和对齐方式有联系。

在运行FreeRTOS时，特权模式和用户模式如何划分在SRAM中划分堆栈，以及任务之间如何划分堆栈

在Cortex-M7架构中，堆栈通常由两个寄存器来管理：主堆栈指针（MSP）和进程堆栈指针（PSP），MSP是处理器的默认堆栈指针，用于保存中断处理程序的现场，PSP堆栈指针用于保存应用程序现场的。

也就是说如果跑的是裸机程序，他的所有程序都在使用MSP堆栈指针。如果跑操作系统，一般的任务执行和调度使用的是PSP堆栈指针，如果产生中断，中断服务使用的是MSP堆栈指针。

主堆栈（MSP）：在系统启动期间，CPU会自动将MSP设置为链接脚本中_estack的值。进程堆栈（PSP）：由操作系统或应用程序在运行时进行设置。

在运行FreeRTOS时，内存堆为 ucHeap[] ，大小为 configTOTAL_HEAP_SIZE。当宏 configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP 为 1 的时候需要用户自行定义内存堆，内存的分配方案有五种，heap_1，heap_2，heap_3，heap_4，heap_5，否则的话由编译器来决定，默认都是由编译器来决定的。

如下图所示：操作系统在内存中所占据的地址空间，MSP与PSP都是特指的堆栈指针，如果没有任务，只跑操作系统，那就只应用了MSP堆栈指针，如果有创建任务，就多了PSP堆栈指针，并且初始化和动态创建了任务的堆栈内存。深入理解 STM32 双堆栈机制 - 国际哥的独立博客

任务的内存分配方案有五种，heap_1，heap_2，heap_3，heap_4，heap_5，但FreeRTOS默认的分配是0，在启动时分配一块连续的内存区域作为堆，内存区域的大小由 configTOTAL_HEAP_SIZE 宏来配置，FreeRTOS 会使用这块预分配的内存区域来满足动态内存分配的需求。 configTOTAL_HEAP_SIZE 宏定义的是一个连续的内存空间，任务堆栈的起始地址是随机分配的,不一定是从系统堆栈的最高地址开始。只要有足够的连续空间，FreeRTOS就会从系统堆栈中分配出一块区域作为任务的私有堆栈。

基于MSP的堆栈地址：需要进行8字节对齐，起始地址：0X2000 9208，length=40k=0XA004，结束地址：0X201 3208