【STM32】MDK的编译过程及文件类型全解

1.编译过程简介

MDK编译过程

编译：MDK软件使用的编译器是armcc和armasm，它们根据每个c/c++和汇编源文件编译成对应的以“.o”为后缀名的对象文件(Object Code，也称目标文件)，其内容主要是从源文件编译得到的机器码，包含了代码、数据以及调试使用的信息。
链接：链接器armlink把各个.o文件及库文件链接成一个映像文件“.axf”或“.elf”。
格式转换：一般来说Windows或Linux系统使用链接器直接生成可执行映像文件elf后，内核根据该文件的信息加载后，就可以运行程序了，但在单片机平台上，需要把该文件的内容加载到芯片上，所以还需要对链接器生成的elf映像文件利用格式转换器fromelf转换成“.bin”或“.hex”文件，交给下载器下载到芯片的FLASH或ROM中。

MDK常见的文件类型

2.编译工具链

2.1环境变量

我们下载arm编译工具后，需要将目录添加到环境变了中。

在这里插入图片描述

armcc用于把c/c++文件编译成ARM指令代码，编译后会输出ELF格式的O文件(对象、目标文件）。
armasm是汇编器，它把汇编文件编译成O文件。
armlink是链接器，它把各个O文件链接组合在一起生成ELF格式的AXF文件，AXF文件是可执行的，下载器把该文件中的指令代码下载到芯片后，该芯片就能运行程序了；利用armlink还可以控制程序存储到指定的ROM或RAM地址。
armar工具用于把工程打包成库文件。
fromelf可根据axf文件生成hex、bin文件，hex和bin文件是大多数下载器支持的下载文件格式。

2.2使用fromelf工具生成bin文件

HEX文件：这是一种ASCII编码的文件格式，它包含了以特定ASCII字符表示的十六进制数据。HEX文件通常较大，因为它们使用两个ASCII字符来表示一个字节的数据，并且包含了文件头、记录类型、地址字段等额外信息。
BIN文件：这是一种二进制文件格式，只包含实际的二进制数据，没有额外的文本信息。BIN文件通常比HEX文件小，因为它们不包含任何ASCII编码的开销。

fromelf --bin --output ..\Output\F407_Demo.bin ..\Output\F407_Demo.axf

在这里插入图片描述

Build started: Project: F407_Demo
*** Using Compiler 'V5.06 update 7 (build 960)', folder: 'D:\Keil_v5\ARM\ARM_Compiler_5.06u7\Bin'
Build target 'F407_Demo'
After Build - User command #1: fromelf --bin --output ..\Output\F407_Demo.bin ..\Output\F407_Demo.axf
"..\Output\F407_Demo.axf" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
Build Time Elapsed:  00:00:01

在这里插入图片描述

3.程序的组成、存储与运行

3.1CODE、RO、RW、ZI Data域及堆栈空间

程序组件所属的区域

在工程的编译提示输出信息中有一个语句“Program Size：Code=xx RO-data=xx RW-data=xx ZI-data=xx”，它说明了程序各个域的大小，编译后，应用程序中所有具有同一性质的数据(包括代码)被归到一个域，程序在存储或运行的时候，不同的域会呈现不同的状态，这些域的意义如下：

Code：即代码域，它指的是编译器生成的机器指令，这些内容被存储到ROM区
RO-data：Read Only data，即只读数据域，它指程序中用到的只读数据，这些数据被存储在ROM区，因而程序不能修改其内容。例如C语言中const关键字定义的变量就是典型的RO-data。
RW-data：Read Write data，即可读写数据域，它指初始化为“非0值”的可读写数据，程序刚运行时，这些数据具有非0的初始值，且运行的时候它们会常驻在RAM区，因而应用程序可以修改其内容。例如C语言中使用定义的全局变量，且定义时赋予“非0值”给该变量进行初始化。
ZI-data：Zero Initialie data，即0初始化数据，它指初始化为“0值”的可读写数据域，它与RW-data的区别是程序刚运行时这些数据初始值全都为0，而后续运行过程与RW-data的性质一样，它们也常驻在RAM区，因而应用程序可以更改其内容。例如C语言中使用定义的全局变量，且定义时赋予“0值”给该变量进行初始化(若定义该变量时没有赋予初始值，编译器会把它当ZI-data来对待，初始化为0)；
ZI-data的栈空间(Stack)及堆空间(Heap)：在C语言中，函数内部定义的局部变量属于栈空间，进入函数的时候从向栈空间申请内存给局部变量，退出时释放局部变量，归还内存空间。而使用malloc动态分配的变量属于堆空间。在程序中的栈空间和堆空间都是属于ZI-data区域的，这些空间都会被初始值化为0值。编译器给出的ZI-data占用的空间值中包含了堆栈的大小(经实际测试，若程序中完全没有使用malloc动态申请堆空间，编译器会优化，不把堆空间计算在内)。

3.2程序的存储与运行

RW-data和ZI-data它们仅仅是初始值不一样而已，为什么编译器非要把它们区分开？这就涉及到程序的存储状态了，应用程序具有静止状态和运行状态。静止态的程序被存储在非易失存储器中，如STM32的内部FLASH，因而系统掉电后也能正常保存。但是当程序在运行状态的时候，程序常常需要修改一些暂存数据，由于运行速度的要求，这些数据往往存放在内存中(RAM)，掉电后这些数据会丢失。因此，程序在静止与运行的时候它在存储器中的表现是不一样的。

应用程序的加载视图与执行视图

图中的左侧是应用程序的存储状态，右侧是运行状态，而上方是RAM存储器区域，下方是ROM存储器区域。

程序在存储状态时，RO节(RO section)及RW节都被保存在ROM区。
当程序开始运行时，内核直接从ROM中读取代码，并且在执行主体代码前，会先执行一段加载代码，它把RW节数据从ROM复制到RAM，并且在RAM加入ZI节，ZI节的数据都被初始化为0。加载完后RAM区准备完毕，正式开始执行主体程序。

编译生成的RW-data的数据属于图中的RW节，ZI-data的数据属于图中的ZI节。是否需要掉电保存，这就是把RW-data与ZI-data区别开来的原因，因为在RAM创建数据的时候，默认值为0，但如果有的数据要求初值非0，那就需要使用ROM记录该初始值，运行时再复制到RAM。

STM32的RO区域不需要加载到SRAM，内核直接从FLASH读取指令运行。

当程序存储到STM32芯片的内部FLASH时(即ROM区)，它占用的空间是Code、RO-data及RW-data的总和，所以如果这些内容比STM32芯片的FLASH空间大，程序就无法被正常保存了。
当程序在执行的时候，需要占用内部SRAM空间(即RAM区)，占用的空间包括RW-data和ZI-data。

程序状态区域的组成

在MDK中，我们建立的工程一般会选择芯片型号，选择后就有确定的FLASH及SRAM大小，若代码超出了芯片的存储器的极限，编译器会提示错误，这时就需要裁剪程序了，裁剪时可针对超出的区域来优化。

3.3配置RAM和ROM大小

STM32F407ZGT6微控制器的SRAM和Flash大小如下：

Flash：STM32F407ZGT6拥有最大1MB（1024KB）的Flash存储空间，用于存储程序代码和只读数据。Flash的地址范围从0x8000000开始。
SRAM：该微控制器具备总共192KB的SRAM，其中包括：
- 112KB的主SRAM（SRAM1），地址从0x20000000开始，大小为0x20000即128KB。
- 64KB的CCM（核心耦合存储器）数据RAM，地址从0x10000000开始，这部分内存仅CPU可以访问，不适用于DMA操作。
- 备份SRAM，大小为4KB。

此外，STM32F407系列的芯片可以通过FSMC（灵活的静态存储控制器）扩展外部SRAM，例如使用型号为IS62WV51216的SRAM芯片，其容量为1MB（1024KB）。这为需要更多运行时数据存储空间的应用程序提供了扩展选项。

在这里插入图片描述

所以，

程序存储状态时占用的ROM区=Code+RO_data+RW_data不能够超过1024KB。
程序执行时占用RAM区=RW_data+ZI_data不能够超过128KB。

其中ZI_data包括初始值为0的全局变量、局部变量和动态分配的空间，局部变量属于栈空间，动态分配的空间属于堆空间。这两块空间也是可以单独配置的，在启动文件startup_stm32f40xx.s中。

在这里插入图片描述

4.map文件说明

在Listing目录下包含了*.map及*.lst文件，它们都是文本格式的。map文件是由链接器生成的，它主要包含交叉链接信息，查看该文件可以了解工程中各种符号之间的引用以及整个工程的Code、RO-data、 RW-data以及ZI-data的详细及汇总信息。它的内容中主要包含了“节区的跨文件引用”、“删除无用节区”、“符号映像表”、 “存储器映像索引”以及“映像组件大小”。

map文件的最后一部分是包含映像组件大小的信息(Image component sizes)，这也是最常查询的内容。

Image component sizesCode (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Object Name140         56        128          0        128       1362   bsp_dma.o60         26          0          0          0        531   bsp_exti.o88         16          0          0          0       1389   bsp_led.o12          4          0          0          0        465   bsp_pwm2.o276         70          0         16          0        962   bsp_timer.o350         32          0         10          0       4498   bsp_usart.o16          0          0          0          0        506   bsp_wwdg.o64         28          0          0          0        531   main.o124         16          0          0          0       1887   misc.o36          8        392          0       1024        952   startup_stm32f40xx.o142         28          0          0          0       3647   stm32f4xx_dma.o32         10          0          0          0       1260   stm32f4xx_exti.o168          0          0          0          0       3286   stm32f4xx_gpio.o20          0          0          0          0       4082   stm32f4xx_it.o216         24          0         16          0       4626   stm32f4xx_rcc.o38          0          0          0          0       3354   stm32f4xx_tim.o308          8          0          0          0       5440   stm32f4xx_usart.o28         10          0          0          0       1107   stm32f4xx_wwdg.o276         34          0          0          0     306193   system_stm32f4xx.o----------------------------------------------------------------------2410        370        552         44       1152     346078   Object Totals0          0         32          0          0          0   (incl. Generated)16          0          0          2          0          0   (incl. Padding)----------------------------------------------------------------------Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Library Member Name0          0          0          0          0          0   entry.o0          0          0          0          0          0   entry10a.o0          0          0          0          0          0   entry11a.o4          0          0          0          0          0   entry12b.o8          4          0          0          0          0   entry2.o4          0          0          0          0          0   entry5.o0          0          0          0          0          0   entry7b.o0          0          0          0          0          0   entry8b.o8          4          0          0          0          0   entry9a.o30          0          0          0          0          0   handlers.o36          8          0          0          0         68   init.o0          0          0          0          0          0   iusefp.o30          0          0          0          0         68   llshl.o36          0          0          0          0         68   llsshr.o32          0          0          0          0         68   llushr.o26          0          0          0          0         80   memcmp.o2218         90          0          0          0        464   printfa.o0          0          0          4          0          0   stdout.o44          0          0          0          0         80   uidiv.o98          0          0          0          0         92   uldiv.o48          0          0          0          0         68   cdrcmple.o56          0          0          0          0         88   d2f.o334          0          0          0          0        148   dadd.o222          0          0          0          0        100   ddiv.o186          0          0          0          0        176   depilogue.o48          0          0          0          0         68   dfixul.o26          0          0          0          0         76   dfltui.o228          0          0          0          0         96   dmul.o38          0          0          0          0         68   f2d.o110          0          0          0          0        168   fepilogue.o----------------------------------------------------------------------3874        106          0          4          0       2044   Library Totals4          0          0          0          0          0   (incl. Padding)----------------------------------------------------------------------Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Library Name2574        106          0          4          0        988   mc_w.l1296          0          0          0          0       1056   mf_w.l----------------------------------------------------------------------3874        106          0          4          0       2044   Library Totals----------------------------------------------------------------------==============================================================================Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   6284        476        552         48       1152     342938   Grand Totals6284        476        552         48       1152     342938   ELF Image Totals6284        476        552         48          0          0   ROM Totals==============================================================================Total RO  Size (Code + RO Data)                 6836 (   6.68kB)Total RW  Size (RW Data + ZI Data)              1200 (   1.17kB)Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)       6884 (   6.72kB)==============================================================================

5.sct分散加载文件

当工程按默认配置构建时，MDK会根据我们选择的芯片型号，获知芯片的内部FLASH及内部SRAM存储器概况，生成一个以工程名命名的后缀为*.sct的分散加载文件(Linker Control File，scatter loading)，链接器根据该文件的配置分配各个节区地址，生成分散加载代码，因此我们通过修改该文件可以定制具体节区的存储位置。

在这里插入图片描述

文件内容如下：

; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************LR_IROM1 0x08000000 0x00100000  {    ; load region size_regionER_IROM1 0x08000000 0x00100000  {  ; load address = execution address*.o (RESET, +First)*(InRoot$$Sections).ANY (+RO).ANY (+XO)}RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data.ANY (+RW +ZI)}RW_IRAM2 0x10000000 0x00010000  {.ANY (+RW +ZI)}
}

我们的sct示例文件配置如下：程序的加载域为内部FLASH的0x08000000，最大空间为0x00100000；程序的执行基地址与加载基地址相同，其中RESET节区定义的向量表要存储在内部FLASH的首地址，且所有o文件及lib文件的RO属性内容都存储在内部FLASH中；程序执行时RW及ZI区域都存储在以0x20000000为基地址，大小为0x00020000的空间(128KB)，这部分正好是STM32内部主SRAM的大小。

链接器根据sct文件链接，链接后各个节区、符号的具体地址信息可以在map文件中查看。

了解sct文件的格式后，可以手动编辑该文件控制整个工程的分散加载配置，但sct文件格式比较复杂，所以MDK提供了相应的配置选项可以方便地修改该文件，这些选项配置能满足基本的使用需求，其实就是我们在上文中配置的RAM和ROM大小。

5.1控制文件分配到指定的存储空间

在这里插入图片描述

在弹出的对话框中有一个“Memory Assignment”区域(存储器分配)，在该区域中可以针对文件的各种属性内容进行分配，如Code/Const内容(RO)、Zero Initialized Data内容(ZI-data)以及Other Data内容(RW-data)，点击下拉菜单可以找到在前面Target页面配置的IROM1、IRAM1、IRAM2等存储器。例如图中我们把这个bsp_led.c文件的OtherData属性的内容分配到了IRAM2存储器(在Target标签页中我们勾选了IRAM1及IRAM2)，当在bsp_led.c文件定义了一些RW-data内容时(如初值非0的全局变量)，该变量将会被分配到IRAM2空间，配置完成后点击OK，然后编译工程，查看到的sct文件。

; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************LR_IROM1 0x08000000 0x00100000  {    ; load region size_regionER_IROM1 0x08000000 0x00100000  {  ; load address = execution address*.o (RESET, +First)*(InRoot$$Sections).ANY (+RO).ANY (+XO)}RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data.ANY (+RW +ZI)}RW_IRAM2 0x10000000 0x00010000  {bsp_led.o (+RW).ANY (+RW +ZI)}
}

虽然MDK的这些存储器配置选项很方便，但有很多高级的配置还是需要手动编写sct文件实现的，例如MDK选项中的内部ROM选项最多只可以填充两个选项位置，若想把内部ROM分成多片地址管理就无法实现了；另外MDK配置可控的最小粒度为文件，若想控制特定的节区也需要直接编辑sct文件。