变量存储重温与Clion编辑器的学习与实践

一、实验要求
二、变量存储重温
- 1、内存分配
- - （1）内存属性简述
  - （2）内存分区简述
  - （3)分区进行对比
  - （4）STM32数据存储位置
- 2、编程进行验证
- - （1）Ubuntu验证
  - - 【1】代码如下
    - 【2】终端创建、查看
  - （2）STM32验证
  - - 【1】代码生成
    - 【2】代码编写
    - 【3】烧录输出
  - （3）分析比较
三、Clion介绍、安装及配置
- 1、Clion介绍
- 2、安装 CLion2021
- - （1）下载
  - （2）安装教程
- 3、安装arm-none-eabi-gcc
- - （1）下载
  - （2）安装教程
- 4、安装openocd
- - （1）下载解压
- 5、安装MinGW
- - (1)下载解压
- 6、添加到系统环境变量
- 7、Clion配置
- - （1）创建工程
  - （2）配置toolchains
  - （3）配置Embedded Development
四、实验
- 1、工程创建
- 2、生成工程
- 3、配置clion工程
- 4、代码改变及烧录运行
- 5、结果
五、总结
六、参考文献

一、实验要求

1、编写一个C程序，重温全局变量、局部变量、堆、栈等概念，在Ubuntu（x86）系统和STM32(Keil)中分别进行编程、验证（STM32 通过串口printf 信息到上位机串口助手) 。归纳出Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，进行对比分析。
2、安装Clion2021，采用一套新的嵌入式软件开发工具包（替代Keil），完成stm32F103 点亮LED的程序。

二、变量存储重温

1、内存分配

（1）内存属性简述

静态分配内存：在程序编译和链接时就确定好的内存
动态分配内存：在程序加载、调入、执行的时候分配/回收的内存

（2）内存分区简述

栈区（stack）：由编译器自动分配释放，存放函数形参和局部变量（auto类型）。其操作方式类似于数据结构中的栈。
堆区（heap）：程序动态申请分配和释放空间。一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。（与数据结构中的堆不同，分配方式类似于链表）
全局/静态区（static）：全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量、未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。（当程序结束后，变量由系统释放）
文字常量区：存放常量字符串（当程序结束后，常量字符串由系统释放）
程序代码区：存放函数体的二进制代码
注意：
一个正常的程序在内存中通常分为程序段、数据段、堆栈三部分。
程序段：程序的机器码、只读数据，通常是只读，对它的写操作是非法的。
数据段：程序中的静态数据。
堆栈：内存中的一个连续的块。动态数据则通过堆栈来存放。堆栈指针寄存器（SP）指向堆栈的栈顶。堆栈的底部是一个固定地址，其特点是后进先出，即后放入的数据第一个取出。它支持PUSH、POP操作。PUSH是将数据放到栈的顶端，POP是将栈顶的数据取出。

（3)分区进行对比

注意：
① 随着函数调用层数的增加，函数栈帧是一块块地向内存低地址方向延伸的。
② 随着进程中函数调用层数的减少（即各函数调用的返回），栈帧会一块块地被遗弃而向内存的高址方向回缩。
③ 各函数的栈帧大小随着函数的性质的不同而不等，由函数的局部变量的数目决定。
④ 进程对内存的动态申请是发生在Heap（堆）里的，随着系统动态分配给进程的内存数量的增加，Heap（堆）有可能向高址或低址延伸，这依赖于不同CPU的实现，但一般来说是向内存的高地址方向增长的。
⑤ 在未初始化数据区（BSS）或者Stack（栈区）的增长耗尽了系统分配给进程的自由内存的情况下，进程将会被阻塞，重新被操作系统用更大的内存模块来调度运行。

（4）STM32数据存储位置

代码区和常量区的内容编译后存储在ROM中；栈、堆、全局区（.bss段、.data段）存放在RAM中。

2、编程进行验证

（1）Ubuntu验证

【1】代码如下

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//定义全局变量
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{printf("hello");printf("%d",a);printf("\n");
}int main( )
{   //定义局部变量int a=2;static int inits_local_c=2, uninits_local_c;int init_local_d = 1;output(a);char *p;char str[10] = "lyy";//定义常量字符串char *var1 = "123456";char *var2 = "yushu";//动态分配int *p1=malloc(4);int *p2=malloc(4);//释放free(p1);free(p2);printf("栈区-变量地址\n");printf("                a：%p\n", &a);printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);printf("                p：%p\n", &p);printf("              str：%p\n", str);printf("\n堆区-动态申请地址\n");printf("                   %p\n", p1);printf("                   %p\n", p2);printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");printf("\n.bss段\n");printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);printf("\n.data段\n");printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);printf("\n文字常量区\n");printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);printf("\n代码区\n");printf("程序区地址       ：%p\n",&main);printf("函数地址         ：%p\n",&output);return 0;
}

【2】终端创建、查看

（2）STM32验证

【1】代码生成

由于做过很多次自动生成代码的过程，这里不再重复，给出生成后的代码压缩包如下：
链接：https://pan.baidu.com/s/1jJHzOzG4AjrXWWC4wJ8xBA
提取码：1521

【2】代码编写

bsp_usart.h文件
添加头文件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

main.c 文件

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"  //添加 bsp_usart.h 头文件int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;void output(int a)
{printf("hello");printf("%d",a);printf("\n");
}int main(void)
{   //定义局部变量int a=2;static int inits_local_c=2, uninits_local_c;int init_local_d = 1;char *p;char str[10] = "lyy";//定义常量字符串char *var1 = "123456";char *var2 = "yushu";//动态分配int *p1=malloc(4);int *p2=malloc(4);USART_Config();//串口初始化output(a);//释放free(p1);free(p2);printf("栈区-变量地址\n");printf("                a：%p\n", &a);printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);printf("                p：%p\n", &p);printf("              str：%p\n", str);printf("\n堆区-动态申请地址\n");printf("                   %p\n", p1);printf("                   %p\n", p2);printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");printf("\n.bss段\n");printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);printf("\n.data段\n");printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);printf("\n文字常量区\n");printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);printf("\n代码区\n");printf("程序区地址       ：%p\n",&main);printf("函数地址         ：%p\n",&output);return 0;
}

bsp_usart.c 文件
重写 fputc 函数：

int fputc(int ch, FILE *f)
{USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t)ch);while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);return (ch);
}

编译main.c

编译后可看到Code、RO-data、RW-data、ZI-data段的大小。
注释
Code：存储程序代码
RO-data：存储const常量和指令
RW-data：存储初始化值不为0的全局变量
ZI-data：存储未初始化/初始化值为0的全局变量
ROW（Flash）=Code + RO-Data + RW-Data
RAM=RW-data+ZI-data

【3】烧录输出

用mcuisp 软件开始烧录

用SSCOM打开串口后，按一下芯片上的RESET，显示输出结果：

当用XCOM串口调试助手时会横向输出，这里不建议使用

（3）分析比较

Ubuntu在栈区和堆区的地址值都是从上到下增长的，STM32在栈区的地址值是从上到下减小的，在堆区的地址值是从上到下增长的。从每个区来看，栈区的地址是处于高地址，代码区的地址是处于低地址。

三、Clion介绍、安装及配置

1、Clion介绍

Clion 是一款专为开发C及C++所设计的跨平台IDE。它是以IntelliJ为基础设计的，包含了许多智能功能来提高开发人员的生产力。 CLion帮助开发人员使用智能编辑器来提高代码质量、自动代码重构并且深度整合CMake编译系统，从而提高开发人员的工作效率。

2、安装 CLion2021

（1）下载

clion官网：
CLion: A Cross-Platform IDE for C and C++ by JetBrains
可通过百度网盘下载（这里我借用的别人的网址）
网盘：https://pan.baidu.com/s/1-uhNBBdWsPfgxBqaDqigqA
提取码：qwer

（2）安装教程

双击exe文件点击Next

可修改安装位置

可勾选,add “bin” folder to the PATH,则等会儿不用加入环境变量

接下来一路next

finish

打开clion,短期试用即可

点击log in to …创建账户

这里我用QQ邮箱注册

点击submit即可,注册成功后退出，再登陆

点击start trial

3、安装arm-none-eabi-gcc

（1）下载

官网地址：GNU Toolchain | GNU Arm Embedded Toolchain Downloads – Arm Developer

选择gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10-win32.exe

（2）安装教程

选择中文简体

接下来跟着安装向导继续就行了

自动弹出记事本和cmd

4、安装openocd

（1）下载解压

官网：Download OpenOCD for Windows
下载的是最新的11.18的，这是一个压缩包，解压即可

5、安装MinGW

(1)下载解压

网盘下载：https://pan.baidu.com/s/1Q9lzsIWJJ4_MPThVYDnENg
提取码：qwer
下载后与openocd一样只需解压文件即可

6、添加到系统环境变量

arm-none-eabi-gcc 路径下bin文件夹
Openocd路径下bin文件夹
mingw64路径下bin文件夹

系统环境变量添加打开方法：
设置–>系统–>关于–>高级系统设置–>环境变量

然后检查一下安装成功没有
在命令行输入arm-none-eabi-gcc -v，有输出则表示成功。

7、Clion配置

（1）创建工程

点击create

（2）配置toolchains

选择 File-Settings-Build-Toolchains，添加 MinGW，右边会自动匹配好路径信息，将debugger选择arm-none-eabi-gcc 路径下bin文件夹中的arm-none-eabi-gdb.exe

（3）配置Embedded Development

选择 File-Settings-Build-Embedded Development，将右侧的 OpenOCD 文件目录转换到自己下载的位置，最后点击 Test 发现提示颜色为墨绿色，即代表配置成功（顺便把 CubeMX 也配置了）

OK

四、实验

1、工程创建

用 CLion 创建新工程
选择 STM32CubeMX ，填写好项目要保存的路径，点击 Create 即可

2、生成工程

进入cubemx后，系统默认为f030F4Px，而我们需要用到f103c8t6，点击回到选择芯片位置。然后选择芯片
配置RCC

配置 SYS

配置引脚
设置 PC13 引脚为 GPIO_Output 来点亮 LED 灯。

配置串口 USART1

命名工程文件并设置
Project Name 要重新填写一下(因为换芯片的过程，其实是 Cube 新建了一个 ioc 文件)，建议填写之前的工程名和文件目录，这样就可以把之前不想要的那个 .ioc 文件覆盖掉。
然后Toolchain/IDE那里，选择 SW4STM32

最后点击右上角，选择 Yes，生成工程，点击open projects

3、配置clion工程

回到 CLion，可以看到出现了如下界面，选择 stm32f103c8_biue_pill.cfg 文件，并使用

4、代码改变及烧录运行

添加代码
打开 main.c 文件，在 while 循环里添加使 PC13 引脚 LED 闪烁的代码

while (1){/* USER CODE END WHILE */HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(500);HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(500);/* USER CODE BEGIN 3 */}

编译

烧录

5、结果

五、总结

此次实验只要求看懂代码就可以了，不需要自己编写，有代码可以使用，可能在clion软件安装配置上比较麻烦，需要注册账户，其他注意操作认真仔细就可以了，总之，参考大佬的代码及博客，完成了此次实验。

六、参考文献

https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/110308101
https://blog.csdn.net/liwei16611/article/details/88545248
https://my.oschina.net/mizhinian/blog/4472814
https://blog.csdn.net/u011784994/article/details/53157614
https://blog.csdn.net/m0_58892312/article/details/121866325
https://blog.csdn.net/qq_60678931/article/details/121866156

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三、Clion介绍、安装及配置

1、Clion介绍

2、安装 CLion2021

（1）下载

（2）安装教程

3、安装arm-none-eabi-gcc

（1）下载

（2）安装教程

4、安装openocd

（1） 下载解压

5、安装MinGW

(1)下载解压

6、添加到系统环境变量

7、Clion配置

（1）创建工程

（2）配置toolchains

（3）配置Embedded Development

四、实验

1、工程创建

2、生成工程

3、配置clion工程

4、代码改变及烧录运行

5、结果

五、总结

六、参考文献

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