1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。C程序的詳細(xì)執(zhí)行過程-嵌入式C語言程序的運(yùn)行2011-08-1615:05我們做C語言中這么多年，都知道這樣一句話，C語言代碼形成可執(zhí)行程序，需要經(jīng)過編譯-匯編-鏈接三個階段。背都背熟了，但是到底啥意思，每一步都會產(chǎn)生一些什么東西，很多人都不是太了解。今天就詳細(xì)的來說說這個問題：先看下圖，在這個圖中，我詳細(xì)的描述了，整個過程及中間的一些步驟：代碼段，只讀數(shù)據(jù)段，讀寫數(shù)據(jù)段，未初始化數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)區(qū)域。棧和堆屬于動態(tài)區(qū)域。代碼段，只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段將在連接之后產(chǎn)生，未初始化數(shù)據(jù)段將在程序初始化的時候開

2、辟，而堆和棧將在程序的運(yùn)行中分配和釋放。C語言程序分為映像和運(yùn)行兩種狀態(tài)。在編譯連接后形成的映像中，將只包含代碼段，只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段。在程序運(yùn)行之前，將動態(tài)生成未初始化數(shù)據(jù)段，在程序的運(yùn)行時還將動態(tài)形成堆和棧區(qū)域。在嵌入式系統(tǒng)中，程序最終是要放置在內(nèi)存中運(yùn)行的，程序的幾個段，最終會轉(zhuǎn)化為內(nèi)存中的幾個區(qū)域。C語言可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局如圖13-5所示。圖13-5C語言可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局在內(nèi)存中，從低地址到高地址，依次是只讀段、讀寫段、未初始化數(shù)據(jù)段、堆段、棧段。映像文件中將包含代碼段（Code）、只讀數(shù)據(jù)段（ROData）以及讀寫數(shù)據(jù)段（RWData），未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）將在程序的初

3、始化階段中開辟，堆棧在程序運(yùn)行時動態(tài)開辟。只讀區(qū)（RO）包括了代碼和只讀數(shù)據(jù)，在內(nèi)存區(qū)域中，代碼段（Code）和只讀數(shù)據(jù)段（RoData）的存放形式上基本沒有區(qū)別。對于程序運(yùn)行時的內(nèi)存使用，堆和棧一般是相向擴(kuò)展的。堆的分配由程序決定，棧由編譯器管理。在以上概念中，只是一種內(nèi)存分布，并沒有考慮實際系統(tǒng)的情況。在實際的系統(tǒng)中，程序有載入和運(yùn)行兩個概念。嵌入式系統(tǒng)由兩種內(nèi)存，一種是可以固化只讀的內(nèi)存（如：ROM，NorFlash），另一種是易失的可讀寫的內(nèi)存（如：SRAM和SDRAM）。程序中的各個段也有需要固化和需要讀寫的。程序中的各段必須載入到內(nèi)存的恰當(dāng)位置，程序才可以運(yùn)行。C語言各部分的需要固

4、化和可寫的情況如表13-2所示。表13-2C語言各部分的需要支持固化和可寫的情況段需要固化需要可寫代碼（Code）是否只讀數(shù)據(jù)（ROdata）是否讀寫數(shù)據(jù)（RWdata）是是未初始化數(shù)據(jù)（BSS）否是堆（heap）否是棧（stack）否是在嵌入式系統(tǒng)中，經(jīng)過編譯的C語言程序可以通過操作系統(tǒng)運(yùn)行，也可以在沒有操作系統(tǒng)的情況下運(yùn)行。程序存放的位置和運(yùn)行的位置通常是不一樣的。一般情況下，經(jīng)過編譯后的程序存儲在Flash或者硬盤中，在運(yùn)行時需要將程序加載到RAM中。嵌入式系統(tǒng)的NorFlash和硬盤還有一定的差別，在硬盤的程序必須加載到RAM中才可以運(yùn)行，但是在NorFlash中的程序可以通過XIP（

5、eXcutiveInPlace）的方式運(yùn)行。在嵌入式系統(tǒng)中，C語言程序的運(yùn)行包括3種類型：第一種是調(diào)試階段的程序運(yùn)行，這個階段程序存放的位置和運(yùn)行的位置是相同的；第二種是程序直接在Flash中運(yùn)行（XIP）；第三種是將Flash或者硬盤中的程序完全加載到RAM中運(yùn)行。在C語言程序的運(yùn)行中，存在著兩個基本的內(nèi)存空間，一個是程序的存儲空間，另一個是程序的運(yùn)行空間。程序的存儲空間必須包括代碼段、只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段，程序的加載區(qū)域必須包括讀寫數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段如表13-3所示。表13-3C語言各部分使用的存儲空間段代碼只讀數(shù)據(jù)讀寫數(shù)據(jù)未初始化數(shù)據(jù)程序的存儲空間（ROM）需要不需要程序的加載空間

6、（RAM）不需要需要由于程序放入系統(tǒng)后，必須包括所有需要的信息，代碼表示要運(yùn)行的機(jī)器代碼，只讀數(shù)據(jù)和讀寫數(shù)據(jù)包含程序中預(yù)先設(shè)置好的數(shù)據(jù)值，這些都是需要固化存儲的，但是未初始化數(shù)據(jù)沒有初值，因此只需要標(biāo)示它的大小，而不需要存儲區(qū)域。在程序運(yùn)行的初始化階段，將進(jìn)行加載動作，其中讀寫數(shù)據(jù)和未初始化數(shù)據(jù)都是要在程序中進(jìn)行“寫”操作，因此不可能放在只讀的區(qū)域內(nèi)，必須放入RAM中。當(dāng)然，程序也可以將代碼和只讀數(shù)據(jù)放入RAM。在程序運(yùn)行后，堆和棧將在程序運(yùn)行過程中動態(tài)地分配和釋放。13.4.1RAM調(diào)試運(yùn)行本節(jié)介紹程序的一種特殊的運(yùn)行方式，即在程序的調(diào)試階段將主機(jī)的映像文件直接放置到目標(biāo)系統(tǒng)的RAM中。在這

7、種應(yīng)用中，RAM既是程序的存儲空間，也是程序的運(yùn)行空間。在嵌入式系統(tǒng)中，這是一種常用的調(diào)試方式，而不是通常的運(yùn)行方式。在通常的運(yùn)行方式下，程序運(yùn)行的起始地址一般不可能是RAM。RAM在掉電之后內(nèi)容會丟失，因此系統(tǒng)上電的時候，RAM中一般不會有有效的程序。但是在程序的調(diào)試階段，可以將程序直接載入RAM，然后在RAM的程序載入地址處運(yùn)行程序。嵌入式系統(tǒng)RAM中的調(diào)試程序的內(nèi)存布局如圖13-6所示。圖13-6RAM中的調(diào)試程序的內(nèi)存布局這是一種相對簡單的形式，因為代碼段的存儲地址和運(yùn)行地址是相同的，都是RAM（SDRAM或者SRAM）中的地址。在這種情況下，程序沒有運(yùn)行初始化階段加載的問題。從主機(jī)向

8、目標(biāo)機(jī)載入程序的時候，程序映像文件中代碼段（code或text）、只讀數(shù)據(jù)段、讀寫數(shù)據(jù)段依次載入目標(biāo)系統(tǒng)RAM（SDRAM或者SRAM）的空間中。程序載入到目標(biāo)機(jī)之后，將從代碼區(qū)的地址開始運(yùn)行，在運(yùn)行的初始化階段，將開辟未初始化數(shù)據(jù)區(qū)，并將其初始化為0，在運(yùn)行時將動態(tài)開辟堆區(qū)和棧區(qū)。在沒有操作系統(tǒng)的情況下，開辟內(nèi)存的工作都是由編譯器生成的代碼完成的，實現(xiàn)的原理是在映像文件中加入這些代碼。主要工作包括：在程序運(yùn)行時根據(jù)實際大小開辟未初始化的數(shù)據(jù)段；初始化棧區(qū)的指針，這個指針和物理內(nèi)存的實際大小有關(guān)；在調(diào)用相關(guān)函數(shù)（malloc、free）時使用堆區(qū)，這些函數(shù)一般由調(diào)用庫函數(shù)實現(xiàn)。表13-4列出了

9、C語言程序在RAM中的調(diào)試過程。表13-4C語言程序在RAM中的調(diào)試過程階段涉及的部分主要工作程序的映像代碼段（Code）只讀數(shù)據(jù)段（ROData）讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）將程序放置在RAM中初始化階段未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）開辟BSS段并且清零運(yùn)行階段代碼段（Code）只讀數(shù)據(jù)段（ROData）讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）堆（heap）棧（stack）運(yùn)行RAM代碼段中的程序，動態(tài)地在RAM中開辟堆和棧知識點：程序直接載入RAM運(yùn)行時，程序的加載位置和運(yùn)行位置是一致的，因此不存在段復(fù)制的問題，需要在初始化階段開辟未初始化區(qū)域，在運(yùn)行時使用堆棧。13.4.2固化程序的X

10、IP運(yùn)行固化應(yīng)用是一種嵌入式系統(tǒng)常用的運(yùn)行方式，其前提是目標(biāo)代碼位于目標(biāo)系統(tǒng)ROM（Flash）中。ROM中的區(qū)域包括映像文件的代碼段（code或text）、只讀數(shù)據(jù)段（ROData）、讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）。以XIP（在位置執(zhí)行）方式運(yùn)行程序時內(nèi)存布局如圖13-7所示。代碼的運(yùn)行也是在ROM（Flash）中，因此，在編譯過程中代碼的存儲地址和運(yùn)行地址是相同的，由于上電時需要啟動，因此該代碼的位置一般是（0 x0）。在這種應(yīng)用中，一件重要的事情就是將已初始化讀寫段的數(shù)據(jù)從Flash中復(fù)制到SDRAM中，由于已初始化讀寫段既需要固化，也需要在運(yùn)行時修改，因此這一步是必須有的，在程序的初始化階

11、段需要完成這一步。圖13-7XIP運(yùn)行程序時的內(nèi)存布局一般來說，在編譯過程中需要定義讀寫段和未初始化段的地址。在程序中可獲取這些地址，然后就可以在程序的中加入復(fù)制的代碼，實現(xiàn)讀寫段的轉(zhuǎn)移。表13-5列出了C語言程序的XIP運(yùn)行過程。表13-5C語言程序的XIP運(yùn)行過程階段涉及的部分主要工作程序的映像代碼段（Code）只讀數(shù)據(jù)段（ROData）讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）程序放置在Flash中初始化階段讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）復(fù)制讀寫數(shù)據(jù)段到RAM中開辟未初始化段并且清零運(yùn)行階段代碼段（Code）只讀數(shù)據(jù)段（ROData）讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）

12、堆（heap）棧（stack）運(yùn)行Flash代碼段中的程序，動態(tài)地在RAM中開辟堆和棧知識點：程序在ROM或者Flash中以XIP形式運(yùn)行的時候，不需要復(fù)制代碼段和只讀數(shù)據(jù)段，但是需要在RAM中復(fù)制讀寫數(shù)據(jù)段，并另辟未初始化數(shù)據(jù)段。13.4.3固化程序的加載運(yùn)行在某些時候，在存放程序的位置是不能運(yùn)行程序的，例如程序存儲在不能以XIP方式運(yùn)行的Nand-Flash或者硬盤中，在這種情況下，必須將程序完全加載到RAM中才可以運(yùn)行。固化程序加載運(yùn)行的內(nèi)存布局如圖13-8所示：HYPERLINK/files/uploadimg/20090226/150949757.jpg圖13-8固化程序加載運(yùn)行的內(nèi)

13、存布局依照這種方式運(yùn)行程序，需要將Flash中所有的內(nèi)容全部復(fù)制到SDRAM或者SRAM中。在一般情況下，SDRAM或者SRAM的速度要快于Flash。這樣做的另外一個好處是可以加快程序的運(yùn)行速度。也就是說，即使Flash可以運(yùn)行程序，將程序加載到RAM中運(yùn)行也還有一定的優(yōu)勢。這樣做也產(chǎn)生了另外一個問題：代碼段的載入地址和運(yùn)行地址是不相同的，載入地址是在ROM（Flash）中，但是運(yùn)行的地址是在RAM（SDRAM或者SRAM）中。對于這個問題，不同的系統(tǒng)在加載程序的時候有不同的解決方式。C語言固化程序的加載運(yùn)行過程如表13-6所示。表13-6C語言固化程序的加載運(yùn)行時各段的情況階段涉及的部分主

14、要工作代碼的映像代碼段（Code）只讀數(shù)據(jù)段（ROData）讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）將程序放置在Flash中初始化階段代碼段（Code）只讀數(shù)據(jù)段（ROData）讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）加載代碼段和只讀數(shù)據(jù)段到RAM中復(fù)制讀寫數(shù)據(jù)段到RAM中開辟未初始化段并且清零運(yùn)行階段代碼段（Code）只讀數(shù)據(jù)段（ROData）讀寫數(shù)據(jù)段（RWData）未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）堆（heap）棧（stack）運(yùn)行RAM代碼段中的程序，動態(tài)地在RAM中開辟堆和棧知識點：固化程序在加載運(yùn)行時，需要復(fù)制代碼段、只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段到RAM中，并另辟未初始化數(shù)據(jù)段，然后在RAM中運(yùn)行程序

15、（執(zhí)行代碼段）。以這種加載方式的運(yùn)行程序，另外一個重要的問題是：如何把代碼移到RAM中。在有操作系統(tǒng)的情況下，代碼的復(fù)制工作是由操作系統(tǒng)完成的，在沒有操作系統(tǒng)的情況下，處理方式相對復(fù)雜，程序需要自我復(fù)制。顯然，這種方式實現(xiàn)的前提是代碼最初放置在可以以XIP方式執(zhí)行的內(nèi)存中。程序本身復(fù)制的過程也是需要通過程序代碼完成的，這時需要程序中的代碼根據(jù)將包含自己的程序從ROM或者Flash中復(fù)制到RAM中。這是一個比較復(fù)雜的過程，程序的最前面部分是具有復(fù)制功能的代碼。系統(tǒng)上電后，從ROM或者Flash起始地址運(yùn)行，具有復(fù)制功能的代碼將全部代碼段和其他需要復(fù)制的部分復(fù)制到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到RAM中重新運(yùn)

16、行程序。固化程序加載復(fù)制和跳轉(zhuǎn)過程如圖13-9所示。圖13-9固化程序加載復(fù)制和跳轉(zhuǎn)過程在代碼的前面一小部分是初始化的內(nèi)容，這部分內(nèi)容中有一部分是復(fù)制程序，這段復(fù)制程序?qū)⒋a段復(fù)制至RAM中，當(dāng)這段初始化程序運(yùn)行完成后，將跳轉(zhuǎn)到RAM中的某個地址運(yùn)行。13.4.4C語言程序的運(yùn)行總結(jié)在上面幾節(jié)，主要介紹了C語言運(yùn)行時內(nèi)存的使用情況。其關(guān)注點是程序中主要的段，事實上，程序可能不僅包括了上述主要段，還可能包括一些頭信息。程序?qū)嶋H的運(yùn)行也分為在操作系統(tǒng)下運(yùn)行和直接運(yùn)行等情況。在具有操作系統(tǒng)的情況下，程序由操作系統(tǒng)加載運(yùn)行，加載的時候可執(zhí)行程序可以是一個文件，這個文件將包含程序的主要段以及頭信息。對于Linux操作系統(tǒng)，目標(biāo)程序是可執(zhí)行的ELF（ExecutableandlinkingFormat）格式；對于uCLinux操作系統(tǒng)，目標(biāo)程序是Flat格式；對于需要在系統(tǒng)直接運(yùn)行的程序，目標(biāo)程序應(yīng)該是純粹的二進(jìn)制代碼