谈51单片机内存优化

Keil C51内存分配与优化

分类：C/C++单片机 2012-01-06 19:10 272人阅读评论(0) 收藏举报

C51的内存分配不同于一般的PC，内存空间有限，采用覆盖和共享技术。在Keil编译器中，经过编译后，会形成一个M51文件，在其内部可以详细的看到内存的分配情况。

C51内存常见的两个误区：

（1）变量超过128字节后必须用COMPACT模式。

其实，只要不超过256字节，都可以用SMALL模式

（2）内部RAM，128字节以上的是SFR用，不给程序用。

其实，由于C51寻址的不同，高128字节也可以用来存储变量，虽与SFR地址相同，但寻址的方式不同。

下面通过几个程序来看内存的分配。

******************************************************************************* //程序1：

#include

void main()

{}

Program Size: data=9.0 xdata=0 code=16

TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME

-----------------------------------------------------

* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *

REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"

IDATA 0008H 0001H UNIT ?STACK

******************************************************************************* 从上面可以看到，即使程序内部无任何变量和函数data也会为9.0。这9个字节内存分别为R0-R8和一个堆栈指针（C51的堆栈是“grow up”，即使堆栈中没有内容，也会有一个栈底指针）。data区中由于R0-R8占有8个存储空间，因此data区最大为120字节（栈在所有的变量空间之后），如果超过120个字节则由idata显式的指定为间接寻址。对于整个内部256字节的RAM，在极端的情况下，最大的变量为247字节。

当定义全局变量时

******************************************************************************* //程序2：

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar a;

uint b;

void main()

{}

Program Size: data=12.0 xdata=0 code=16

TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME

-----------------------------------------------------

* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *

REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"

DATA 0008H 0003H UNIT ?DT?MAIN

IDATA 000BH 0001H UNIT ?STACK

* * * * * * * C O D E M E M O R Y * * * * * * *

CODE 0000H 0003H ABSOLUTE

CODE 0003H 000CH UNIT ?C_C51STARTUP

CODE 000FH 0001H UNIT ?PR?MAIN?MAIN

******************************************************************************* 存在全局变量时，根据全局变量的类型分配相应的存储空间。

看下面的程序

*****************************************************************

//程序3：

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar a;

uint b;

uint sum(uint c)

{

uint d;

d = c;

return d;

}

void main()

Program Size: data=12.0 xdata=0 code=17

TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME

-----------------------------------------------------

* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *

REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"

DATA 0008H 0003H UNIT ?DT?MAIN

IDATA 000BH 0001H UNIT ?STACK

* * * * * * * C O D E M E M O R Y * * * * * * *

CODE 0000H 0003H ABSOLUTE

CODE 0003H 000CH UNIT ?C_C51STARTUP

CODE 000FH 000CH UNIT ?PR?MAIN?MAIN

CODE 001BH 0001H UNIT ?PR?_SUM?MAIN

********************************************************************

与上面的程序想比较，发现内存并没有任何的变化。

看下面的程序

*************************************************************************** //程序4：

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar a;

uint b;

uint sum(uint c)

{

uint d;

d = c;

return d;

}

void main()

{

b = sum(5);

Program Size: data=12.0 xdata=0 code=28

TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME

-----------------------------------------------------

* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *

REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"

DATA 0008H 0003H UNIT ?DT?MAIN

IDATA 000BH 0001H UNIT ?STACK

* * * * * * * C O D E M E M O R Y * * * * * * *

CODE 0000H 0003H ABSOLUTE

CODE 0003H 000CH UNIT ?C_C51STARTUP

CODE 000FH 000CH UNIT ?PR?MAIN?MAIN

CODE 001BH 0001H UNIT ?PR?_SUM?MAIN

****************************************************************************

这与上面的内存使用相同，在这个程序中通过反汇编，查看编译后的汇编程序可以发现，参数的传递通过通用寄存器完成，没有占用新的内存。编译器将其优化的通用寄存器（寄存器一般传递3个参数，超过3个参数时，多余的参数通过分配空间地址的方式来访问。但是分配的内存空间包含了寄存器传递的3个参数在内的所有参数的空间。详见《Parameter And Local Variable 》和《Parameter and Register》）和栈中（程序7），但是如果参数或局部变量过多，则情况就完全不同（程序6）。

再看下面的程序

*******************************************************************

//程序5

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar a;

uint b;

uint sum(uint c)

{

uint d;

}

void main()

}

Program Size: data=16.0 xdata=0 code=21

TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME

-----------------------------------------------------

* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *

REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"

DATA 0008H 0004H UNIT ?DT?_SUM?MAIN

DATA 000CH 0003H UNIT ?DT?MAIN

IDATA 000FH 0001H UNIT ?STACK

* * * * * * * C O D E M E M O R Y * * * * * * *

CODE 0000H 0003H ABSOLUTE

CODE 0003H 000CH UNIT ?C_C51STARTUP

CODE 000FH 0005H UNIT ?PR?_SUM?MAIN

CODE 0014H 0001H UNIT ?PR?MAIN?MAIN

******************************************************************

同样的程序，内部RAM的使用情况又发生了变化。函数未被调用，且参数与局部变量都没有使用。

源文件经过编译后形成obj文件，各个obj文件就是一个模块，每个模块中都含有代码段和数据段，也就是，代码在ROM占有多少CODE空间，数据在RAM里占用多少空间等信息。obj(lib)文件然后经过l51.exe(bl51.exe),就是说把可执行代码模块根据连接定位参数地址上连接在一起();数据段也连接在一起,在ram空间中分配.对ram空间的分配中就有一个连接过程"覆盖分析".调用一个c函数,就会为这个函数所使用的ram空间进行分配(一些局部变量),这个函数返回时再回收分配给他的ram空间,根据函数互相之间的调用前后关系,编译器就可以时实的知道ram空间的使用情况(其中就存在一个函数重入的问题),作为连接时ram空间分配的参数. 如果源文件中的函数(模块)从来没有被任何函数显示的调用(所谓非显示调用就是这段代码,连接器目前还不知道这段代码什么时候会被调用或是否会被调用), 连接时就会为它分配永远有效的ram空间(就象全局变量),不会被回收。

（https://www.360docs.net/doc/6b4056710.html,/s/blog_74ee88b80100pqed.html）

*******************************************************************

//程序6

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar a;

uint b;

uint sum2(uint e,uint f,uint g,uint j)

{

uint i;

i = e+f+g+j;

return i;

}

void main()

{

b = sum2(1,2,3,4);

}

Program Size: data=20.0 xdata=0 code=58

TYPE BASE LENGTH RELOCATION SEGMENT NAME

-----------------------------------------------------

* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *

REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"

DATA 0008H 0008H UNIT _DATA_GROUP_

DATA 0010H 0003H UNIT ?DT?MAIN

IDATA 0013H 0001H UNIT ?STACK

**************************************************************

在上面的程序中如果将sum2中的j去掉，那么data = 12.0。

通过程序5和6可以看到，两个程序的M51文件中的蓝色部分的segement name的名称有很大的区别。_DATA_GROUP_是一个OVERALY GROUPS（覆盖组）。它是链接器产生的可覆盖的一个数据段。而上面的程序5中的?DT?_SUM?MAIN，则是一个函数段。

在Keil中对OVERALY GROUPS的解释为：

When performing overlay analysis, the linker creates groups of segments that are overlaid. The group name indicates the memory type of the variables that it includes.

Group Name Segmen

t

Prefix

Memory

Model

Description

_BIT_GROUP_?BI?All Variables and arguments of type bit.

_DATA_GROUP_?DT?SMALL Variables and arguments other than bit.

_PDATA_GROUP_?PD?COMPACT Variables and arguments other than bit.

_XDATA_GROUP_?XD?LARGE Variables and arguments other than bit.

When the linker overlays function data memory and creates a group, that groups appears in the linker map file's memory map section.

START STOP LENGTH ALIGN RELOC MEMORY CLASS SEGMENT NAME

======================================================================

* * * * * * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * * * * * * * * 000000H 000007H 000008H --- AT.. DATA "REG BANK 0" 000008H 00001AH 000013H BYTE UNIT DATA _DATA_GROUP_

00001BH 00001BH 000001H BYTE UNIT IDATA ?STACK

Groups are created based on the memory model of the function (which specifies the memory class where parameters and variables are stored) and on any variables defined with a specific memory space.

在keil生成的M51函数中有OVERLAY MAP OF MODULE，对程序中函数调用的覆盖有详细的说明。

//程序7

#define LEN 120

data uchar tt1[LEN];

idata uchar tt2[127];

void main()

{

uchar i,j;

for(i = 0; i < LEN; ++i )

{

j = i;

tt1[j] = 0x55;

}

}

变量i和j通过编译器的优化占用了通用寄存器，R0-8[8]+tt1[120]+tt2[127]+SP[1]共256字节；

而如果将程序7中j=i删掉。上面声明了uchar j，但是下面没有应用，因此编译器不知道该如何处理j，就让其占用了一个RAM空间不再存在通用寄存器中，出现了内存溢出。（有的编译器会将不用的变量自动删除）

局部变量占用通用寄存器，变量在声明时就被分配了空间；局部变量只有在被声明、赋值且被使用后才认为是局部变量被放置在通用寄存器中，否则被认为是全局变量；在循环中，R7中放置循环数。（自加）

由于data区的存取速度快，变量尽量的放在该区，但是由于idata可以访问整个256字节的RAM，如果data区变量较少，idata型的变量也会占有data区，减少了可直接访问的存储空间，因此在变量定义的时候尽量将idata型的变量定义在data型变量后。

uchar c1;

idata uchar c2;

uchar c3;

变量 c2 肯定会以间接寻址，但它有可能落在 data 区域，就浪费了一个可直接寻址的空间变量的优化

（https://www.360docs.net/doc/6b4056710.html,/blog/static/177754732009418105322546/）

（1）将访问频率高的变量放在data区

（2）提高内存的复用率。尽可能的利用局部变量，由于局部变量的存取速度快。在程序7中可以看到，i和j没有占用内存，子程序中使用内存数量不大的变量尽量定义为局部变量。

（3）对于指针数组的定义，尽量指明存储类型。尽量使用无符号类型变量。8051不支持有符号数计算，需要通过其他的库来处理，大大降低了运行的速度，增加了内存的利用。

（4）避免出现内存空洞。在M51中可以很清楚的看到内存的分配情况，如果全局变量和局部变量的分配不合理，有时会出现下面的情况：

0010H 0012H *** GAP ***

表示从0010开始有0012H个字节未利用。造成这种情况的原因是局变量太多、多个子程序中的局部变量数目差异太大、使用了寄存器切换但未充分利用

（5）避免出现未使用的变量或者函数。

下面是另一篇博客

现在的存储器已经不像七八年前那样昂贵了，但是ram相对于rom和eeprom的价格还是不可同样看待的，所以程序中节省内存在现在看来还是非常关键的。原因有以下几点：

1.ram的存取速度相对于eeprom的存取速度要快很多倍，不在一个数量级上，主要是因为eeprom的存储要想写入就必须先擦除，而且eeprom的擦出需要成块擦除（这是由于eeprom 的擦除原理是场效应管的栅极上电擦除的，为了节省成本厂家一般都是8Bytes/page

64Bytes/page），所以使用ram来处理中间的数据是能够符合速度要求的。

2.无论是xram还是eeprom都是外部存储器，在负值时都要用到16bit地址空间(8位机),这样无形中就增大了程序的code的体积并且使得速度上也受到影响，所以尽量把indata区的ram 用到极限是非常有意义的。

本人总结了一些节省内存的规律，提供给大家讨论一下，看看是否可行。

1.内存分配的基本原理：

keil与其他的c语言编译器我认为从内存分配的原理上是基本相同的。总结起来，其实很简单，就是选最长的路径进行编译(话糙理不糙),例如下面的两段程序

program 1:

unsigned char a();

void b();

void main()

{

unsigned char byte1;

unsigned char byte2;

byte1 = byte2 = 3;

if( a() == 3)

{

b();

}

a();

return;

}

// a function

unsigned char a()

{

unsigned char byte_a1; unsigned char byte_a2;

byte_a1 = byte_a2 = 3;

byte_a1 = 4;

byte_a2 = 5;

return byte_a1;

}

// b function

void b()

{

unsigned char byte_b1; unsigned char byte_b2; unsigned char byte_b3;

byte_b1 = byte_b2 = byte_b3 = 3; return;

}

program 2:

void a();

void b();

void main()

{

unsigned char byte1; unsigned char byte2; byte1 = byte2 = 3;

a();

return;

}

// a function

void a()

{

unsigned char byte_a1; unsigned char byte_a2; byte_a1 = byte_a2 = 3; if (byte_a1 == 3)

{

b();

}

byte_a1 = 4;

byte_a2 = 5;

return;

}

// b function

void b()

{

unsigned char byte_b1;

unsigned char byte_b2;

unsigned char byte_b3;

byte_b1 = byte_b2 = byte_b3 = 3;

return;

}

两段程序的作用是相同的，都是先执行函数a,然后根据byte_a1的值判断去执行b程序，但是用keil编译的结果却不相同program 1 编译的结果是data:14 code:48，而program 2 编译的结果是data:16 code:56，可见program 1 比program 2 即节省了code又节省了内存。

看一下反汇编代码，就可以了解原因了，在a函数中调用b函数，a函数定义的byte_a1和byte_a2变量没有被释放，所以program 2 的内存分配是8(SFR) + 1(STACK) + 2(MAIN FUNC) + 2(A FUNC) + 3(B FUNC) = 16 Bytes，而program 1 的内存分配是8(SFR) +

1(STACK) + 3(B FUNC) = 14Bytes, 由于B函数和A函数是并行的，所以节省了a函数需要的2个字节。

这样总结看来程序不要串行，应尽量并行，充分利用有限的ram资源，这样既可以使code 区变小，也可以使速度变快。

2.uncalled segment 影响内存分配:

不知道大家是否发现过当存在没有调用的函数时，内存空间很有可能会溢出，这个原因其实也非常简单例如：

program 3:

void a();

void b();

void c(unsigned char byte_input);

void main()

{

unsigned char byte1;

unsigned char byte2;

byte1 = byte2 = 3;

a();

c(3);

return;

}

// a function

void a()

{

unsigned char byte_a1;

unsigned char byte_a2;

byte_a1 = byte_a2 = 3;

if (byte_a1 == 3)

{

b();

}

byte_a1 = 4;

byte_a2 = 5;

return;

}

// b function

void b()

{

unsigned char byte_b1;

unsigned char byte_b2;

unsigned char byte_b3;

byte_b1 = byte_b2 = byte_b3 = 3;

return;

}

void c(unsigned char byte_input)

{

unsigned char byte_c;

byte_c = byte_input;

return;

}

program 3 所示如果再main.c里面调用c(3)编译后data:16，而如果不调用

c(3)，编译后data:17，原因是调用c(3) data = 8(SFR) + 1(STACK) + 2(MAIN FUNC) + 2(A FUNC) + 3(B FUNC) = 16Bytes,而如果不调用c(3) data = 8(SFR) + 1(STACK) + 2(MAIN FUNC) + 2(A FUNC) + 3(B FUNC) + 1(C FUNC) = 17 Bytes。

所以，建议大家如果暂时不调用的函数最好屏蔽掉，以免影响整体的内存分配。

这次先写到这里吧，希望大家多和我讨论讨论，下一次我想和大家讨论一下有关keil中data_group的问题。

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对于 "uncalled segment 影响内存分配" 这个问题,发表一点看法(因为彼人也非JSJ毕业).

程序源文件(c, a51文件),先经过编译得到obj文件,所谓的目标文件.各个obj 文件就是一个个的模块,每个模块基本上都含有代码段和数据段,也就是说,代码在rom里面要占用多少CODE空间,数据在ram里面要占用多少ram空间等等信息.我以为lib文件也和obj文件类似,只是文件结构有些不一样.

obj(lib)文件然后经过l51.exe(bl51.exe),就是说把可执行代码模块根据连接定位参数地址上连接在一起();数据段也连接在一起,在ram空间中分配.对ram 空间的分配中就有一个连接过程"覆盖分析".调用一个c函数,就会为这个函数所使用的ram空间进行分配(一些局部变量),这个函数返回时再回收分配给他的ram空间,根据函数互相之间的调用前后关系,编译器就可以时实的知道ram空间的使用情况(其中就存在一个函数重入的问题),作为连接时ram空间分配的参数. 如果源文件中的函数(模块)从来没有被任何函数显示的调用(所谓非显示调用就是这段代码,连接器目前还不知道这段代码什么时候会被调用或是否会被调用),连接时就会为它分配永远有效的ram空间(就象全局变量),不会被回收.