P02_你的变量住在哪里_教学文档

MCU拆解室------你的变量住在哪里？

配套视频 ：p02_memory_map_1080p30.mp4（1920×1080@30，7 分 22 秒，8 章）

参考芯片 ：STM32L552（Cortex-M33，512 KB Flash / 256 KB SRAM）

注意 ：系列从下一期（编译与链接）起改用经典 STM32F103（64 KB / 20 KB）。概念完全一致，只是数字不同 ；阅读时把 512/256 换成 64/20 即可。

本文定位：对照阅读版。视频里出现的每个数字（12340 字节、七个变量、1540 字节堆栈）都来自真实工程；本文补上视频受时长限制没展开的推导与调试方法。

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阅读指南

章节	对应视频	时间码	一句话
0	---	---	三个问题
1	L1 开场提问	00:00	一盏灯动了三块地皮
2	L2 两块地盘	00:56	Flash / SRAM / 外设，以及段
3	L3 编译流水线	01:46	段是在声明时定下的
4	L4 变量安置	02:26	七个变量的户口
5	L5 生命周期×作用域	03:22	活多久、谁能看见
6	L6 上电那一刻	04:20	搬 .data、清 .bss、跳 main
7	L7 三关键字	05:17	const / static / volatile
8	L8 总结	06:26	map 文件与两个恒等式

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第 0 章　三个问题

1. const uint8_t SEQ[] = {...} 放在哪？为什么不占 RAM？
2. volatile uint32_t g_ms; 为什么必须 volatile？不加会怎样？
3. int seq_copy[4]; 在函数里，它什么时候出生、什么时候消失？

一句话立意：变量进哪个段，看声明；活多久、谁能碰，也看声明。

图 0-1　点灯的三句话动了三种资源（视频 00:20）

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第 1 章　一盏灯，三块地皮

视频用点灯代码引出内存话题。一段最普通的点灯循环，其实同时用了三个地方：

const uint8_t SEQ[] = {1,0,0,0};          // ① 只读常量 → Flash
for (;;) {
    GPIOA->BSRR = SEQ[i] << 5;            // ② 写外设寄存器 → 外设空间
    for (volatile uint32_t g = 0; g < 200000; g++);  // ③ 循环变量 → 栈/寄存器
}

句子	资源	特性
读 SEQ	Flash（只读）	掉电不丢，读不花 RAM
写 BSRR	外设寄存器空间	不经过内存，直接到 GPIO
循环变量	栈 / 寄存器	掉电即失，函数返回即消失

编译器给的账单（真实工程）：Flash 用了 12340 字节，RAM 1680 字节。这两个数字，就是"地图"的入口。

为什么先讲这个？ 因为初学者常以为"程序 = 代码 + 变量"，其实中间还有一层：变量被分门别类放进不同的段 ，段再被链接脚本放到不同的地址。不理解这一层，HardFault、RAM 溢出、volatile 失效都只能靠猜。

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第 2 章　三块地盘与七个段

图 2-1　芯片版图：左边内核，右上 Flash，右下 SRAM，右下角外设（视频 01:15）

2.1 三块地盘

地盘	起始地址	本集容量	掉电	放什么
Flash	0x0800_0000	512 KB	不丢	向量表、代码、只读常量、.data 初值模板
SRAM	0x2000_0000	256 KB	丢	.data 运行副本、.bss、堆、栈
外设	0x4000_0000	---	---	GPIO/USART/SPI 等寄存器

地址就是门牌号：CPU 不区分"内存"和"外设"，它只往地址上读写；是总线译码器把地址分发到对应设备。

2.2 Flash 里的段

段	内容	说明
.isr_vector	向量表	复位后 SP/PC 从这里读
.text	函数代码	只读、可执行
.rodata	const 常量、字符串	只读
.data（LMA）	有初值变量的初值模板	运行时会被搬到 SRAM

2.3 SRAM 里的段

段	内容	何时初始化
.data（VMA）	有初值的全局/静态变量	启动时从 Flash 拷贝
.bss	初值为 0 的全局/静态变量	启动时整片清零
堆	malloc 用	运行时向上长
栈	局部变量、调用现场	运行时向下长

关键认识 ：.data 在 Flash 和 SRAM 各有一份（模板 + 运行副本），这正是第 6 章"上电为什么要搬"的原因。

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第 3 章　段是在"声明"时定下的

图 3-1　.c → .o → 链接：段在编译期确定，地址在链接期确定（视频 02:35）

• 编译阶段：每个 .o 里已经有 .text/.rodata/.data/.bss 这些小段，但地址是相对/未定的。
• 链接阶段：链接脚本把同名的段合并，分配最终地址（VMA），.data 还会另给一个装载地址（LMA）。

一句话 ：变量落在哪个段，在你写下声明的那一刻就定了；具体地址，链接器说了算。

这也是为什么"同样的代码，换个链接脚本，地址就全变了"。调试时看到的 0x2000_0060，是链接脚本 + 当前编译结果的产物，不是语言规定。

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第 4 章　七个变量的户口

视频里逐个安置了七个变量。它们的声明（节选）：

const uint8_t SEQ[4]      = {1,0,0,0};   // ① 只读查表
volatile uint32_t g_ms;                  // ② 中断里减、主循环读
uint32_t g_err_cnt;                      // ③ 全局计数
static uint8_t s_seq_idx;                // ④ 文件级 static
static uint8_t s_ps;                     // ⑤ 函数级 static（在 SysTick 里）
void f(void) { int seq_copy[4]; ... }    // ⑥ 局部数组
void g(void) { volatile uint32_t *bsrr; }// ⑦ 局部指针

#	变量	段	寿命	可见范围
①	SEQ	.rodata（Flash）	全程	本文件（const+static 语义）
②	g_ms	.data（有初值）/.bss（初值 0）	全程	全工程
③	g_err_cnt	.bss	全程	全工程
④	s_seq_idx	.bss	全程	本文件
⑤	s_ps	.bss	全程	本函数
⑥	seq_copy[4]	栈	仅函数调用期	本代码块
⑦	bsrr（指针本身）	栈	仅函数调用期	本代码块

注意三个细节：

1. static 不改变位置，只收窄可见范围（①④⑤ 都在"全程"那一列）。
2. 显式写 = 0 也进 .bss ，不进 .data------编译器知道 0 不用存。
3. 局部数组在栈上：编译器只决定"去栈上"，具体地址运行时由 sp 决定。

4.1 为什么 g_ms 必须 volatile

g_ms 被两个执行流共享：SysTick 中断里减，主循环里等它到 0。不开 volatile 时，编译器会把 g_ms 缓存进寄存器（它"看不到"中断会改它），主循环就再也读不到新值。

这是第 7 章的主题，也是下一期 GPIO 的伏笔。

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第 5 章　生命周期 × 作用域

图 5-1　左边代码、右边四个同心圈：代码块 / 函数 / 文件 / 全工程（视频 03:55）

5.1 两个维度

• 寿命（lifetime）：变量从什么时候存在到什么时候消失。
• 作用域（scope）：代码的哪些位置能"看见"这个名字。

两者不是一回事。典型例子：

void f(void) {
    static int s = 0;   // 寿命：全程；作用域：仅 f()
    int a = 1;          // 寿命：函数调用期；作用域：本代码块
}

5.2 四层可见范围

层	谁能看见	例子
代码块 {}	块内	for 里的 i
函数	函数内	形参、局部变量
文件	本 .c 内	加 static 的全局变量
全工程	所有 .o	不加 static 的全局变量（外部链接）

static 的两个含义要分清 ：修饰全局变量/函数 时是"收窄可见范围到本文件"；修饰局部变量时是"把寿命拉长到全程"。同一个关键字，两个方向。

5.3 栈变量的"生死"

seq_copy[4] 在进入函数时随 sub sp 出现，返回时随 pop 消失（第 5 章的栈帧）。返回后它的地址就失效了------这就是"不能返回局部变量地址"的原因。

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第 6 章　上电那一刻：谁把变量放到位置上

图 6-1　启动代码：搬 .data、清 .bss、跳 main（视频 04:45）

复位后的顺序（真实启动文件）：

1. 硬件 ：从 [0x0000_0000] 读栈顶 → 装 SP；从 [0x0000_0004] 读复位向量 → 装 PC。
2. Reset_Handler ：调 SystemInit（配时钟）。
3. 搬 .data ：从 Flash 的 LMA（_sidata）拷到 SRAM 的 VMA（_sdata..._edata）。
4. 清 .bss ：_sbss..._ebss 整片写 0。
5. bl main ：PC 跳到 main。

为什么 .data 要搬？ 因为初值必须"保留"（Flash 不丢），而运行时要"能改"（必须可写 RAM）。Flash 不可写，所以只能复制一份到 SRAM。

这一段和 P04《启动》是同一件事，那期会逐行拆启动文件；这里只要记住"三件事：搬、清、跳"。

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第 7 章　三个关键字

图 7-1　-O2 下两版汇编：无 volatile 只读一次内存，有 volatile 每圈重读（视频 05:50）

7.1 const

• 全局 const → .rodata（Flash），省 RAM；
• 但局部 const 不一定进 .rodata：它可能仍在栈上，只是"你不能改"。

7.2 static

• 全局加 static：外部文件看不见（避免命名冲突）；
• 函数内加 static：只初始化一次，寿命全程；
• 静态局部变量的初始化发生在"第一次执行到声明处之前"（C 标准里是程序启动时，实现上由启动代码清零 + 首次进入时赋值），不是每次调用都初始化。

7.3 volatile

while (g_ms) { }        // 忙等

编译	无 volatile	有 volatile
-O0	每圈都 ldr	每圈都 ldr
-O2	只读一次，cbz 后死循环	每圈 ldr + cbz

边界（重要）：

• volatile 只保证"每次都真的访问内存"，不保证原子；
• 不是内存屏障（编译器和 CPU 都可能重排其他访问）；
• 读-改-写（g_ms++）在中断并发下仍需临界区/原子指令。

这一条是嵌入式面试高频题：volatile 解决"看不见的修改"，不解决"竞争"。

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第 8 章　总结：map 文件与两个恒等式

图 8-1　map 文件、两个恒等式、三个翻车现场（视频 06:50）

两个恒等式：

Flash 占用 = .isr_vector + .text + .rodata + .data(LMA)
RAM  占用 = .data(VMA) + .bss + 堆 + 栈

三个真实翻车现场：

现象	原因	定位
HardFault 上电即死	局部大数组撑爆栈	看 SP 与 _estack 距离
region RAM overflowed	.bss 太大	看 map 文件
while(g_ms==0); 卡死	没加 volatile	看 -O2 反汇编

五句话：

1. Flash 存不变的（代码、常量、初值模板）。
2. RAM 分四块（.data、.bss、堆、栈）。
3. 变量进哪段看声明：const→Flash，初值 0→.bss，局部→栈。
4. static 管"谁能看见"（全局）或"活多久"（局部）。
5. volatile 管"每次都真读"，不管原子、不管顺序。

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自测（8 题）

1. 为什么 .data 在 Flash 和 SRAM 各有一份？
2. 显式写 = 0 的全局变量进哪个段？
3. 函数内 static int s; 的寿命和作用域？
4. 局部的 const int a = 5; 一定在 Flash 吗？
5. .bss 不占 Flash，为什么？
6. 不加 volatile，-O2 下忙等为什么可能死循环？
7. volatile 能保证 g_ms++ 原子吗？
8. 栈和堆在链接脚本里没有显式分配时，会发生什么？

参考答案

1. Flash 存初值模板（掉电不丢），SRAM 存运行副本（可写）。
2. .bss（编译器知道 0 不用存）。
3. 寿命全程；作用域仅该函数。
4. 不一定；局部 const 常在栈上，只是不可改。
5. .bss 全 0，启动时整片清零即可，不需要在 Flash 存 0。
6. 编译器把 g_ms 缓存进寄存器，循环条件永远用旧值。
7. 不能；需要关中断/原子指令。
8. 栈堆共享剩余 RAM，向中间生长，撞上就 HardFault 或踩坏数据。

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附录　本期关键数字

项	值
Flash 占用	12340 B
RAM 占用	1680 B
栈/堆共享剩余	1540 B（后续 F103 工程实测）
七个变量	SEQ / g_ms / g_err_cnt / s_seq_idx / s_ps / seq_copy / bsrr
段	.isr_vector / .text / .rodata / .data / .bss / heap / stack

成片与本文数值均来自同工程；换芯片/换链接脚本后数字会变，方法不变。