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[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)嵌入式客棧,干貨及時(shí)送達(dá) [導(dǎo)讀] 從這篇文章開始,將會不定期更新關(guān)于嵌入式C語言編程相關(guān)的個(gè)人認(rèn)為比較重要的知識點(diǎn),或者踩過的坑。 為什么要深入理解棧?做C語言開發(fā)如果棧設(shè)置不合理或者使用不對,棧就會溢出,溢出就會遇到無法預(yù)測亂飛現(xiàn)象

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

[導(dǎo)讀] 從這篇文章開始,將會不定期更新關(guān)于嵌入式C語言編程相關(guān)的個(gè)人認(rèn)為比較重要的知識點(diǎn),或者踩過的坑。

為什么要深入理解棧?做C語言開發(fā)如果棧設(shè)置不合理或者使用不對,棧就會溢出,溢出就會遇到無法預(yù)測亂飛現(xiàn)象。所以對棧的深入理解是非常重要的。

注:動畫如果看不清楚可以電腦看更清晰

啥是棧

先來看一段動畫:

沒有比這個(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,相對的一端底部稱為棧底。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++編程語言的角度來看:

  • 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,對于C而言,malloc、realloc/free進(jìn)行分配/釋放,對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

處理器模式 建議段名 描述
Supervisor SVC_STACK 操作系統(tǒng)棧
IRQ IRQ_STACK 通用(IRQ)中斷處理程序的堆棧。
FIQ FIQ_STACK 用于高速(FIQ)中斷處理程序的堆棧。
Undefined UND_STACK 堆棧用于未定義的指令中斷。支持硬件協(xié)處理器和指令集擴(kuò)展的軟件仿真。
Abort ABT_STACK 用于指令獲取和數(shù)據(jù)訪問存儲器中止中斷處理程序的堆棧。

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應(yīng)的寄存器就恢復(fù)了原程序的現(xiàn)場,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)開發(fā)的同學(xué)不是太清楚,下面就將比較常見的IAR開發(fā)環(huán)境為例如何定義棧定義棧大小的地方說明一下,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)對于比較熟悉的開發(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)段的對齊方式,存儲位置,某個(gè)符號的存儲位置等等。這里同樣為了直觀也做了一個(gè)GIF動畫,介紹如何通過鏈接文件進(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map文件來看下棧/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。

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

對這個(gè)動圖解讀一下:

  • 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0x200007D8并沒有用到,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STM32棧的增長方向是向下增長的,也即頂在小地址端一側(cè)
  • 棧存儲元素是四字節(jié)對齊的,因?yàn)镾TM32的字長是字節(jié),如果深入想想,如果不是司字節(jié)對齊會怎么樣?留給感興趣的思考一下。
  • 0x200007D8--0x200007DB 這個(gè)字存儲單元并不是棧的有效存儲空間。

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)字棧指針會變成0x200005C8,是這樣嗎,結(jié)果還對嗎?將n改為21編譯運(yùn)行,來看一看:

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

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),沒這個(gè)棧,C/C++玩不轉(zhuǎn)
  • 棧在嵌入式編程領(lǐng)域隨處可見,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,過大則浪費(fèi)內(nèi)存,過小則程序會飛。
  • 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。
  • 通過上面遞歸調(diào)用測試,還可以得到一個(gè)啟示,嵌入式編程函數(shù)嵌套的層級不宜過深,過深則需要相對較大的棧開銷。
  • .......
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END

果喜歡右下點(diǎn)個(gè)在看,也會讓我倍感鼓舞

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