一篇文章讲透单片机的RAM和FLASH

最近在一个问答社区回答了一个问题，关于单片机存储器的，于是有了想专门写一篇关于单片机存储器的想法。作为单片机内部一个重要组成部分，存储器占有很重要的地位，今天就来聊聊我对于单片机的内部存储器RAM和FLASH的一些认识和理解。

1、先聊聊存储器

存储器是单片机结构的重要组成部分，存储器是用来存储编译好的程序代码和数据的，有了存储器单片机系统才具有记忆功能。按照存储介质的特性，可以分“易失性存储器”和“非易失性存储器”两类。易失性存储器断电后，里面存储的内容会丢失；非易失性存储器断电后，数据可以依然保持。

存储器分类

2、单片机的存储器

如下图所示是STM32F103RB系列单片机所使用的存储器大小，Flash为128KB，RAM为20KB，这里的RAM是指SRAM。

STM32F103RB内存大小

这两个存储器的寄存器输入输出端口被组织在同一个4GB的虚拟线性地址空间内。可访问的存储器空间被分成8个主要块，每个块为512MB。Flash用来存储编译好的程序文件，SRAM用来存储运行程序时所创建的临时数据。所以如果不加入外置存储器，那么程序里的东西就会出现在这两个存储器中。

下图为STM32F103RB单片机的内存映射图（部分），可以看到画红圈的两个就是SRAM和Flash存储器。不知道大家有没有注意，当使用J-Flash软件给stm32下载bin文件的时候需要填写起始地址，那个0x08000000其实就是Flash存储器的起始地址。

STM32F103内存映射图

3、关于编译器生成的文件

如果你玩过单片机，那你应该对Keil这款软件不会感到陌生，下图是我的那款OLED时钟的软件用Keil编译后的编译信息。

KEIL编译信息

很多人并不一定知道Program Size的含义，我来给大家解释一下。

Code： 是程序中代码所占字节大小；

RO-data： 程序只读的变量，也就是带const的，和已初始化的字符串等；

RW-data： 已初始化的可读写全局/静态变量；

ZI-data： 未初始化的可读写全局/静态变量；

那么这个程序占用的Flash存储器的空间大小是多少呢？程序所占Flash空间大小=Code+RO data+RW data=生成的bin文件大小 。

那么这个程序占用的SRAM存储器的空间大小是多少呢？程序固定占用RAM大小=RW data+ZI data 。

这些信息除了在编译器下方的信息栏里面看到，也可以在项目文件里的.map文件的最下面找到，如下图：

.map文件信息

4、数据在存储器上的存储结构

程序在Flash上的存储结构如下图所示，通过阅读hex文件和MDK下调试综合提炼出来的。其中，ZI-data对应未初始化数据段，RW-data对应已初始化数据段，Code对应代码段。

STM32的Flash存储结构

数据在SRAM上的结构，如下图所示。这部分大家可以参考上面的内存映射图来理解。

STM32的SRAM存储结构

5、总结

至此我相信大家应该对stm32单片机的内部存储有了更进一步的认识。其实如果想更深入的了解单片机的运行轨迹，我建议大家来详细研究一下stm32单片机的上电内存读取过程，如果搞明白了这块收获会是非常大的。后面有机会我也会对这块进行深入的总结，并整理成文章发出来，与大家一起分享。

为啥单片机RAM那么少？

你肯定好奇：手机内存（RAM）动辄8G、12G，为啥单片机RAM连1M都不到？

经典的AT89C51单片机，其内部只有128字节RAM （内存），同样经典的MSP430F149也只有2K的RAM空间。

即使现在用的比较多的STM32F1系列，其最大的RAM也不到100K 。

很多小伙伴就有这样的疑问：现在固态硬盘都以 T 为单位了，手机电脑内存都是8G、甚至32G了，为什么单片机RAM连1M都不到？

今天就来讲讲关于RAM以及单片机内存少的几点内容。

（备注：本文说的单片机，指MCU，微控制器）

关于RAM

RAM：Random Access Memory，随机存取存储器，也是大家所说的内存 。

RAM是一种易失性存储器，也就是说断电就会丢失存储数据。

RAM有一些常见特点：

随机存取

易失性

对静电敏感

访问速度块

······

随着需求的提高，技术的进步，RAM又发展了像SRAM、DRAM、SDRAM等多种类型的RAM存储器。

相对于Flash、硬盘等非易失性存储器而言，RAM具有更快的读写速度，因此RAM广泛用于各种单片机、嵌入式、计算机系统中。

但RAM也存在一些“不足”，导致在很多场合，RAM的容量都相对比较小。

RAM容量小的几点原因

RAM相对Flash、硬盘而言，要做到足够大容量，其成本相对Flash要多的多。

1.RAM工艺更复杂

RAM要求速度更快，电流又不能太大，为了能尽量满足和平衡更高要求，就需要使用更特殊和更先进的半导体电容技术。

2.更大的硅面积

因为RAM的工艺更复杂，其占用硅面积相对更大。

大家应该都知道芯片的制造过程 ，目前芯片主要使用硅这种材料制作芯片（当前，现在也发明了更先进的材料），占用硅面积更大，意味着单个芯片成本更贵，相信这个原理大家都懂。

通过认识wafer、die、cell它们的关系 你就能大概理解芯片其实是“批量”生成的。

3.功耗原因

单片机通常要求功耗不能太多，特别是低功耗的单片机，在待机模式下，要求nA级别的电路。

为了满足低功耗，单片机中RAM，通常是静态RAM（SRAM）。

这里要扩展一下与SRAM对应的DRAM（动态RAM），顾名思义，动态RAM就是需要定时给电容补充漏掉的电荷，也就是需要定时刷新，DRAM需要驱动电路，功耗相对SRAM自然更大。

4.单片机大容量RAM需求不大

大家都知道，使用单片机开发的项目，通常都是裸机，或者RTOS，一般不会用到大型软件，特别是早期的时候（早期少数对RAM有需求的项目，一般通过外扩RAM的方式）。

所以，早期很多项目对单片机RAM容量要求不高，甚至有很大一部分RAM都没有用到。

当然，随着UI、AI、物联网的快速发展，现在对单片机RAM的需求也在不断增加，很多新出的单片机RAM容量也在不断增加，比如256K，甚至512K了。

5.其他

除了以上说的几点，还有像寿命、稳定性、兼容性等也是间接影响RAM大小的因素。

最后，欢迎大家补充更多的原因。

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