關(guān)注、星標(biāo)嵌入式客棧，干貨及時(shí)送達(dá)

[導(dǎo)讀] 從這篇文章開(kāi)始，將會(huì)不定期更新關(guān)于嵌入式C語(yǔ)言編程相關(guān)的個(gè)人認(rèn)為比較重要的知識(shí)點(diǎn)，或者踩過(guò)的坑。

為什么要深入理解棧？做C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)如果棧設(shè)置不合理或者使用不對(duì)，棧就會(huì)溢出，溢出就會(huì)遇到無(wú)法預(yù)測(cè)亂飛現(xiàn)象。所以對(duì)棧的深入理解是非常重要的。

注：動(dòng)畫(huà)如果看不清楚可以電腦看更清晰

啥是棧

沒(méi)有比這個(gè)更直觀的啦，棧是一種受限的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，其數(shù)據(jù)總是只能在頂部追加，利用一個(gè)指針進(jìn)行索引，頂端叫棧頂，相對(duì)的一端底部稱(chēng)為棧底。棧是一種LIFO后入先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

棧就兩種操作:

• PUSH，壓棧，向棧內(nèi)加入數(shù)據(jù)，
• POP，出棧

再進(jìn)一步探討：

首先將棧與堆分清，從看到這篇文章開(kāi)始，我建議你不要把堆和棧連在一起叫，棧是棧，堆是堆，這是兩回事，別混為一談?。ǘ驯疚牟簧钊胗懻摚?/p>

從C/C++編程語(yǔ)言的角度來(lái)看：

• 相同點(diǎn)：都是一片內(nèi)存區(qū)，在鏈接時(shí)指定棧區(qū)/堆區(qū)的位置以及大小。

• 不同點(diǎn)：

• 棧：由編譯器分配，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量，寄存器組（不同的單片機(jī)/處理器各有不同）、函數(shù)調(diào)用參數(shù)傳遞、中斷異常產(chǎn)生時(shí)須保存處理器狀態(tài)的寄存器值等
• 堆：由程序員分配釋放，對(duì)于C而言，malloc、realloc/free進(jìn)行分配/釋放，對(duì)C++而言，由new/delete分配/釋放。

為啥用

棧這個(gè)數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用價(jià)值是什么呢？先來(lái)看一下單片機(jī)內(nèi)部的可能有哪些棧應(yīng)用？以STM32為例，參考IAR C/C++ Development Guide，P207

如果使用RTOS還有任務(wù)棧，如果是Linux,其內(nèi)核線程同樣也需要棧的支持，等等這一切的一切棧，其本質(zhì)上都是利用了棧數(shù)據(jù)模型的LIFO后入先出的特性，一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景就是比如做一件事情做到一半而要轉(zhuǎn)而去做另外一件事，對(duì)于芯片編程而言，就需要將當(dāng)前的工作做個(gè)暫存，等另外一件事情做完了，再接著回來(lái)繼續(xù)做。那么怎么做到呢，以一個(gè)中斷處理為例，要記住當(dāng)前的工作態(tài)有哪些信息需要暫存呢？PC指針，局部變量等就被壓入棧，再將中斷服務(wù)程序地址導(dǎo)入PC指針，進(jìn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，待中斷處理完畢，在將棧里的內(nèi)容按照后入先出彈出到對(duì)應(yīng)的寄存器就恢復(fù)了原程序的現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)而繼續(xù)執(zhí)行。

怎么用

棧在哪里定義大小，定多大合適？這可能很多剛接觸單片機(jī)開(kāi)發(fā)的同學(xué)不是太清楚，下面就將比較常見(jiàn)的IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境為例如何定義棧定義棧大小的地方說(shuō)明一下，這里以IAR8.4.1為例，有兩種方式可以進(jìn)行棧大小設(shè)置。

IDE設(shè)置

為了更加清楚明了，制作了一個(gè)GIF操作展示視頻，在stack/heap中就可以設(shè)置了，其中stack用于設(shè)置棧區(qū)大小，heap用于設(shè)置堆大小。

這個(gè)demo中設(shè)置了其棧的大小為0x200，堆的大小為0x400，全編譯后，檢查map文件就印證了棧/堆的大小如預(yù)期所修改。

鏈接配置文件

其實(shí)對(duì)于比較熟悉的開(kāi)發(fā)人員，上一種方式并非推薦用法。用鏈接配置文件將具有更好的靈活性，比如可以指定一個(gè)段的對(duì)齊方式，存儲(chǔ)位置，某個(gè)符號(hào)的存儲(chǔ)位置等等。這里同樣為了直觀也做了一個(gè)GIF動(dòng)畫(huà)，介紹如何通過(guò)鏈接文件進(jìn)行棧/堆的大小配置。

其最終的效果也一樣如預(yù)期將棧區(qū)的大小設(shè)置好了。

棧溢出

這里為了比較容易的展示棧溢出的問(wèn)題，在main函數(shù)利用遞歸方法計(jì)算階乘，代碼如下：

#include <stdio.h>
#include "main.h"
static uint32_t spSatte[200];
static uint32_t spIndex = 0;
/*為什么要用浮點(diǎn)數(shù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)非常大整型很快就會(huì)溢出*/
float factorial(uint32_t n)
{
    uint32_t sp = __get_MSP();    
    /*記錄棧指針的變化情況*/
    spSatte[spIndex++] = sp;
    if(n==0 || n==1)
        return 1;
    else
        return (float)n*factorial(n-1);
}

int main(void)
{
    float  x = 0;
    uint32_t  n = 20;
    printf("stack test:\n");
    x = factorial(n);
    /*打印棧指針變化情況*/
    for(int i = 0;i<spIndex;i++)
        printf("MSP->%08X\n",spSatte[i]);
    
    /*打印階乘結(jié)果*/
    printf("factorial(%d)=%f\n",n,x);    
    while (1)
    {
    }
}

為方便觀察，將stm32f407xx_flash.icf 將棧改為256字節(jié)

/*stm32f407xx_flash.icf 將棧改為256字節(jié)*/
define symbol __ICFEDIT_size_cstack__ = 0x200;
define symbol __ICFEDIT_size_heap__   = 0x200;

全編譯后通過(guò)map文件來(lái)看下棧/堆的分配情況：

"P2", part 3 of 3:                          0x400
  CSTACK                      0x2000'05d8   0x200  <Block>
    CSTACK           uninit   0x2000'05d8   0x200  <Block tail>
  HEAP                        0x2000'07d8   0x200  <Block>
    HEAP             uninit   0x2000'07d8   0x200  <Block tail>
                            - 0x2000'09d8   0x400

直觀些，翻譯成下圖，CSTACK段分配在0x2000 0280-0x2000 0480,堆分配在0x2000 0480-0x2000 0680。

圖為什么沒(méi)有將0x2000 07D8畫(huà)在棧區(qū)呢？通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，這個(gè)字空間沒(méi)有用做棧的實(shí)際存儲(chǔ)。將工程設(shè)置成simulation模式，debug進(jìn)入main.o勾選掉，我們來(lái)計(jì)算20的階乘，來(lái)具體看一下：

對(duì)這個(gè)動(dòng)圖解讀一下：

• 進(jìn)入復(fù)位是，SP_main為0x200007D8，指向棧底，為空棧。那么這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

__vector_table                ;向量表
        DCD     sfe(CSTACK)   ;這條命令會(huì)將程序的CSTACK起始地址裝載給SP_main
        DCD     Reset_Handler ; Reset Handler復(fù)位向量

• 前面說(shuō)0x200007D8并沒(méi)有用到，怎么證明呢，在函數(shù)進(jìn)入mian時(shí)，第一次壓棧的情況如下：

• 可見(jiàn)STM32棧的增長(zhǎng)方向是向下增長(zhǎng)的，也即頂在小地址端一側(cè)
• 棧存儲(chǔ)元素是四字節(jié)對(duì)齊的，因?yàn)镾TM32的字長(zhǎng)是字節(jié)，如果深入想想，如果不是司字節(jié)對(duì)齊會(huì)怎么樣？留給感興趣的思考一下。
• 0x200007D8--0x200007DB 這個(gè)字存儲(chǔ)單元并不是棧的有效存儲(chǔ)空間。

棧的變化情況：

stack test:
MSP->200007A8 
MSP->20000790
MSP->20000778
MSP->20000760
MSP->20000748
MSP->20000730
MSP->20000718
MSP->20000700
MSP->200006E8
MSP->200006D0
MSP->200006B8
MSP->200006A0
MSP->20000688
MSP->20000670
MSP->20000658
MSP->20000640
MSP->20000628
MSP->20000610
MSP->200005F8
MSP->200005E0
factorial(20)=2432902023163674771.785700 /*結(jié)算結(jié)果與用計(jì)算器一致*/

每調(diào)用一次階乘函數(shù)，棧就壓入4個(gè)字，由上面還可以看到第20次進(jìn)入時(shí)，棧指針為0x200005E0，如果再壓入4個(gè)字棧指針會(huì)變成0x200005C8，是這樣嗎，結(jié)果還對(duì)嗎？將n改為21編譯運(yùn)行，來(lái)看一看：

看到了吧，驚喜來(lái)了，棧溢出了，程序已經(jīng)不聽(tīng)話了，完全不知道在干嘛了。所以棧溢出的后果是極端危險(xiǎn)的，完全無(wú)法預(yù)期，程序會(huì)帶來(lái)什么后果。

總結(jié)一下

• 棧是一種LIFO后入先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，是C/C++程序運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)，沒(méi)這個(gè)棧，C/C++玩不轉(zhuǎn)
• 棧在嵌入式編程領(lǐng)域隨處可見(jiàn)，比如C棧，中斷棧、異常棧、任務(wù)棧等等，但其基本工作原理都一樣。支持兩種基本數(shù)據(jù)操作：壓棧、出棧。
• 棧溢出程序的結(jié)果無(wú)法預(yù)期，所以合理的設(shè)置棧區(qū)大小是個(gè)永恒的話題，過(guò)大則浪費(fèi)內(nèi)存，過(guò)小則程序會(huì)飛。
• 嵌入式編程遞歸函數(shù)要慎用，個(gè)人建議不用。比如IEC61508 功能安全標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)行規(guī)定不可使用遞歸函數(shù)。
• STM32中__get_MSP可以得到當(dāng)前棧指針的值，據(jù)此可以做一定程度的棧溢出保護(hù)措施。防止程序跑飛。
• 通過(guò)上面遞歸調(diào)用測(cè)試，還可以得到一個(gè)啟示，嵌入式編程函數(shù)嵌套的層級(jí)不宜過(guò)深，過(guò)深則需要相對(duì)較大的棧開(kāi)銷(xiāo)。
• .......

—END—