Arduino：關於記憶體之二三事

這一篇要介紹Arduino微控制器開發板裡可供使用的記憶體，若以Arduino Uno板為例，其微控制器晶片是Atmel公司的ATmega328P，含有32KB Flash memory、2KB SRAM、1KB EEPROM，至於其他板子請到維基百科查看，或查閱設計製造商提供的產品規格資料表，若是Arduino Leonardo（Atmega32u4）則分別是32、2.5、1，。

Flash memory（快閃記憶體），在Arduino、AVR的世界裡，也稱為Program Memory，也就是負責存放程式與任何初始資料的地方，需使用特殊的燒錄工具與軟體將編譯後的程式碼燒錄進去，也可以存放bootloader以便進行ISP線上即時燒錄。可讀，但你不能在程式裡下指令寫入東西到Flash。Flash也是一般隨身碟與記憶卡裡所使用的儲存技術，非揮發性，拔掉電源後資料依舊存在不會消失。Flash有其寫入次數限制，若不斷地寫入，總有一天會壞掉，但正常使用下應很難看到那一天。

SRAM，可讀可寫，拔掉電源後裡頭的東西就會消失不見。負責存放靜態資料、堆積（heap）、堆疊（stack），所以是程式裡建立變數進行操作的地方。靜態資料，若不指定初始值則為0，若有則從Flash拷貝到SRAM。堆積，動態配置的記憶體空間，譬如malloc。堆疊，存放函式呼叫時所需東西、區域變數。堆積與堆疊會從SRAM的兩端逐漸成長，若兩方碰在一起就會出問題，可能根本無法執行或執行時呈現怪異行為。



EEPROM，非揮發性，可讀可寫，讀取時須以byte為單位，速度比SRAM慢，也有寫入次數限制。當你需要儲存長期性的資料，就是放在這裡。

那麼，你的程式需要使用多少記憶體空間呢？

Arduino IDE編譯後會顯示Binary sketch size，就是將佔用的Flash大小。bootloader約需0.5 KB。若草稿碼編譯後太大，就無法燒錄到微控制器晶片裡。

根據下圖，Blink範例草稿碼編譯後需要1084 bytes的Flash空間，而我的Uno板的Flash記憶體最大可容納32256 bytes（31.5 KB），因為其中0.5 KB已被bootloader佔用。


EEPROM的讀寫完全控制在你的掌心，所以也知道用了多少。

至於SRAM則為動態，在不同時間點，也就是程式執行到不同的地方時，會不一樣。可透過底下這支函式得知剩餘的SRAM：

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

free_ram回傳的是heap與stack之間剩餘的空間，但heap內可能充滿很多「洞」，這些洞的記憶體雖已釋放，但仍不能被stack所用，而且可能呈現非常分散、斷裂的情況，所以當你下次動態配置heap記憶體時，也有可能無法使用這些洞。總而言之，介於stack與heap之間的剩餘記憶體空間是你真正需要監控的地方，以避免程式當掉。

誰會耗用SRAM呢？當你動態配置heap記憶體時，例如呼叫malloc，就會佔用heap的部份，當你呼叫函式、定義宣告區域變數時，例如儲存整數、顏色值、像素的資料、等等，就會耗用stack的部份，以一塊OLED單色面板解析度為128x64，每個像素需要1位元，8個像素需要1 bytes，所以總共需要1 KB，好大啊！另外，靜態資料不僅會佔用Flash，執行時也會複製到SRAM裡。

如何減少記憶體用量呢？

想減少Flash用量的話，請分析程式碼，移除不需要的程式庫（#include）、移除無作用的函式、移除有定義卻從未存取的變數、移除絕對不會被執行的程式碼；如果真的很緊迫，可拿掉bootloader，但就需要一台燒錄機、而不能使用ISP線上即時燒錄了。

想減少SRAM用量的話，若你的Arduino板子會跟其他運算裝置溝通，例如電腦、手機、等等，那麼可將部分程式碼交由記憶體更多的裝置執行。移除有定義卻從未存取的變數。

當以底下這種寫法定義字串變數時，

char message[] = "I support the Cape Wind project.";
不僅在Flash裡會佔用33 bytes（一個char佔用1 byte，再加上結尾的NULL），執行時也會把這份資料拷貝到SRAM裡，成為以靜態變數的形式，供你修改、讀取。若你不需要修改它，可使用PROGMEM將它存放在Flash裡即可，有需要時再呼叫特殊函式複製到SRAM裡，用完後再放掉。因為使用前必須先下指令將資料從Flash複製到SRAM，然後才能運用，比較麻煩，但可節省SRAM用量。詳情請看參考資料的PROGMEM。

Arduino 1.0引進新的「F()」語法，如下：

Serial.println(F("This string will be stored in flash memory"));

這麼一來，該字串就只會存放於Flash裡，不會在SRAM裡，甚為方便。

程式裡常需要動態配置heap記憶體作為緩衝區，請配置適當的大小別浪費。有些程式庫也會配置緩衝區，譬如Serial序列傳輸介面會使用64 bytes的緩衝區，若你不需要高速傳輸，那麼可以此大小裁掉一半，這個緩衝區的大小定義在HardwareSerial.cpp裡#define SERIAL_BUFFER_SIZE 64。

各種型別的變數會佔用不同大小的記憶體，若能用byte儲存，就不該使用float。

盡量避免動態配置heap記憶體，因為會造成斷裂的情況，以致於即使釋放了也收縮heap佔用的範圍。

若能夠的話，應使用區域變數而非全域變數，區域變數只存在於stack內，呼叫完畢便會消失，但全域變數會一直佔用著記憶體。


參考資料：

• Adafruit Learning System的You know you have a memory problem when... | Memories of an Arduino。
• Arduino官方文件Memory與PROGMEM。
• Arduino PlayGround的Memory與Available Memory。
• March Madness的Arduino Memory Usage。