如何可视化AVR程序的内存（SRAM）使用？

Question

我在AVR微控制器（ATMega328P）上运行的C程序中遇到了问题。我相信这是由于堆栈/堆冲突，但我希望能够证实这一点。

有没有办法可以看到堆栈和堆的SRAM使用情况？

注意：该程序是使用avr-gcc编译的，并使用avr-libc。

更新：我遇到的实际问题是malloc实现失败（返回NULL）。所有malloc都在启动时发生，并且所有free都在应用程序结束时发生（实际上这是因为应用程序的主要部分处于无限循环中）。所以我确定碎片不是问题。

Answer 1

您可以使用avr-size实用程序检查RAM静态使用情况，如中所述 http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=viewtopic&t=62968，
http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=viewtopic&t=82536，
http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=viewtopic&t=95638，
和http://letsmakerobots.com/node/27115

avr-size -C -x Filename.elf

（avr-size documentation：http://ccrma.stanford.edu/planetccrma/man/man1/avr-size.1.html）

按照如何在IDE上设置它的示例： 在Code :: Blocks，Project - ＆gt;构建选项 - ＆gt;前/后构建步骤 - ＆gt;构建后的步骤包括：

avr-size -C $(TARGET_OUTPUT_FILE) 或
avr-size -C --mcu=atmega328p $(TARGET_OUTPUT_FILE)

构建结束时的示例输出：

AVR Memory Usage
----------------
Device: atmega16

Program:    7376 bytes (45.0% Full)
(.text + .data + .bootloader)

Data:         81 bytes (7.9% Full)
(.data + .bss + .noinit)

EEPROM:       63 bytes (12.3% Full)
(.eeprom) 

数据是您的SRAM使用情况，它只是编译器的数量 在编译时知道。你还需要创造空间 运行时（特别是堆栈使用）。

检查堆栈使用情况（动态RAM）， 来自http://jeelabs.org/2011/05/22/atmega-memory-use/

这是一个小实用程序函数，用于确定RAM的大小 目前未使用：

int freeRam () {
  extern int __heap_start, *__brkval; 
  int v; 
  return (int) &v - (__brkval == 0 ? (int) &__heap_start : (int) __brkval); 
}

这是使用该代码的草图：

void setup () {
    Serial.begin(57600);
    Serial.println("\n[memCheck]");
    Serial.println(freeRam());
}

freeRam（）函数返回堆末尾和堆栈上最后分配的内存之间存在的字节数，因此它实际上是堆栈/堆在碰撞之前可以增长多少。

你可以检查你怀疑可能导致堆栈/堆冲突的代码返回此函数。

Answer 2

你说malloc失败并返回NULL：

首先要注意的一个明显原因是你的堆已经“满” - 即你要求malloc的内存无法分配，因为它不可用。

有两种情况需要牢记：

a：你有一个16 K的堆，你已经使用了10 K的malloc，你尝试另外10K的malloc。你的堆太小了。

b：更常见的是，你有一个16 k的堆，你一直在做一堆malloc / free / realloc调用你的堆不到50％'满'：你调用malloc为1K并且它失败 - 这是怎么回事？答案 - 堆空闲空间是碎片化的 - 没有可以返回的1K空闲内存。 C堆管理器在发生这种情况时无法压缩堆，因此通常情况不好。有一些技术可以避免碎片，但很难知道这是否真的是问题所在。您需要向malloc和free添加日志记录填充程序，以便您可以了解正在执行的动态内存操作。

编辑：

你说所有的malloc都是在启动时发生的，所以碎片不是问题所在。

在这种情况下，应该很容易用static替换动态分配。

旧代码示例：

char *buffer;

void init()
{
  buffer = malloc(BUFFSIZE);
}

新代码：

char buffer[BUFFSIZE];

一旦你到处都这样做了，你的LINKER应该警告你，如果一切都不能适应可用的内存。不要忘记减小堆大小 - 但要注意一些运行时io系统函数可能仍然使用堆，因此您可能无法完全删除它。

Answer 3

通常的方法是用已知模式填充内存，然后检查哪些区域被覆盖。

Answer 4

如果你同时使用堆栈和堆，那么它可能会有点棘手。我将解释当没有堆使用时我做了什么。作为一般规则，我所工作的所有公司（在嵌入式C软件领域）都避免将堆用于小型嵌入式项目 - 以避免堆内存可用性的不确定性。我们使用静态声明的变量。

一种方法是在启动时用已知模式（例如0x55）填充大部分堆栈区域。这通常由软件执行早期的一小段代码完成，或者在main（）的开头，或者甚至在main（）开始之前，在启动代码中。当然，注意不要覆盖正在使用的少量堆栈。然后，在运行软件一段时间后，检查堆栈空间的内容并查看0x55仍然完好无损的位置。 “检查”的方式取决于您的目标硬件。假设您已连接调试器，则可以直接停止微运行并读取内存。

如果你有一个可以执行内存访问断点的调试器（比通常的执行断点更加花哨），那么你可以在特定的堆栈位置设置断点 - 例如堆栈空间的最大限制。这可能非常有用，因为它还可以显示在达到堆栈使用范围时正在运行的代码位。但它需要您的调试器支持内存访问断点功能，而且通常在“低端”调试器中找不到它。

如果您还在使用堆，那么它可能会更复杂一些，因为可能无法预测堆栈和堆将发生冲突的位置。

Answer 5

不要在嵌入式目标上使用堆/动态分配。特别是对于具有如此有限资源的处理器。而是重新设计您的应用程序，因为随着程序的增长，问题将再次发生。

Answer 6

假设您只使用一个堆栈（因此不是RTOS或其他任何东西），并且堆栈位于内存的末尾，逐渐减少，而堆在BSS / DATA区域之后开始生长。我已经看到malloc的实现实际上检查了堆栈指针并且在碰撞时失败了。你可以尝试这样做。

如果您无法调整malloc代码，您可以选择将堆栈放在内存的开头（使用链接器文件）。一般来说，了解/定义堆栈的最大大小总是一个好主意。如果你把它放在开头，你会在读取超出RAM开头时出错。如果它是一个不错的实现（将返回NULL），Heap将在最后并且可能不会超出结束。好的是你知道有2个单独的错误案例可以解决2个不同的问题。

要查找最大堆栈大小，您可以使用模式填充内存，运行应用程序并查看其进度，请参阅Craig的回复。

Answer 7

如果你可以编辑堆的代码，你可以在每个内存块上用几个额外的字节（在这么低的资源上很棘手）填充它。这些字节可以包含与堆栈不同的已知模式。如果它看到它出现在堆栈中，反之亦然，这可能会给你一个线索，如果它与堆栈发生冲突。

Answer 8

在Unix操作系统上，名为sbrk（）且参数为0的库函数允许您访问动态分配的堆内存的最顶层地址。返回值是一个void *指针，可以与任意堆栈分配变量的地址进行比较。

应谨慎使用此比较结果。根据CPU和系统架构，堆栈可能会从任意高地址开始增长，而分配的堆将从低端内存向上移动。

有时，操作系统还有其他内存管理概念（即OS / 9），它将堆和堆栈放在空闲内存中的不同内存段中。在这些操作系统上 - 尤其是嵌入式系统 - 您需要定义您的最大内存要求  提前应用程序使系统能够分配匹配大小的内存段。