C语言程序运行在嵌入式中的方式

我们所做的程序最后都是要放到设备中运行的，鉴于嵌入式设备的特殊性，它的程序在运行方式上和PC机上还是有一些不同，今天就来给大家总结一下：

RAM调试运行：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。此时，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(非通常的运行方式)。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。下图是嵌入式系统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。下表列出了C语言程序在RAM中的调试过程。

小结：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。

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），如下图所示：

     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。

     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。下表列出了C语言程序的XIP运行过程：

小结：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。

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下图所示：

     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下表所示：

小结：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下图所示。

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。

注：本篇文章参考了电子工业出版社的《嵌入式Linux上的C语言编程实践一书》，在这里对本书作者再次表示感谢。