MCS51單片機(jī)程序設(shè)計時堆棧的計算方法解析

用C語言進(jìn)行MCS51系列單片機(jī)程序設(shè)計是單片機(jī)開發(fā)和應(yīng)用的必然趨勢。Keil公司的C51編譯器支持經(jīng)典8051和8051派生產(chǎn)品的版本，通稱為Cx51。應(yīng)該說，Cx51是C語言在MCS51單片機(jī)上的擴(kuò)展，既有C語言的共性，又有它自己的特點(diǎn)。本文介紹的是Cx51程序設(shè)計時堆棧的計算方法。

1.堆棧的溢出問題。MCS51系列單片機(jī)將堆棧設(shè)置在片內(nèi)RAM中，由于片內(nèi)RAM資源有限，堆棧區(qū)的范圍也是有限的。堆棧區(qū)留得太大，會減少其他數(shù)據(jù)的存放空間，留得太少則很容易溢出。所謂堆棧溢出，是指在堆棧區(qū)已經(jīng)滿了的時候還要進(jìn)行新的壓棧操作，這時只好將壓棧的內(nèi)容存放到非堆棧區(qū)的特殊功能寄存器(SFR)中或者堆棧外的數(shù)據(jù)區(qū)中。特殊功能寄存器的內(nèi)容影響系統(tǒng)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容又很容易被程序修改，這樣一來，之后進(jìn)行出棧操作(如子程序返回)時內(nèi)容已變樣，程序也就亂套了。因此，堆棧區(qū)必須留夠，寧可大一些。要在Cx51程序設(shè)計中防止堆棧的溢出，要解決兩個問題：第一，精確計算系統(tǒng)分配給用戶的堆棧大小，假設(shè)是M;第二，精確計算用戶需要堆棧的大小，假設(shè)是N。要求M≥N，下面分別分析這兩個問題。

2.計算系統(tǒng)分配給用戶的堆棧大小Cx51程序設(shè)計中，因?yàn)閯討B(tài)局部變量是長駐內(nèi)存中的，實(shí)際上相當(dāng)于局部靜態(tài)變量，即使在函數(shù)調(diào)用結(jié)束時也不釋放空間(這一點(diǎn)不同于標(biāo)準(zhǔn)C語言)。Cx51編譯器按照用戶的設(shè)置，將所有的變量存放在片內(nèi)和片外的RAM中。片內(nèi)變量分配好空間后，將剩下的空間全部作為堆?？臻g，這個空間是最大可能的堆?？臻g。當(dāng)然，因?yàn)镃x51是一種可以訪問寄存器的C語言(特殊功能寄存器)，因此可在程序中訪問SP，將堆?？臻g設(shè)置得小一點(diǎn)。不過，一般沒有人這么做。

本文只是討論放在片內(nèi)RAM的變量。我們把變量分為兩種情況：

① 用作函數(shù)的參數(shù)和函數(shù)返回值的局部變量。這種變量盡量在寄存器組中存放。為了討論方便，假設(shè)統(tǒng)一用寄存器組0，具體的地址為0x00~0x07。最多可以傳遞3個參數(shù)，如果參數(shù)的個數(shù)比較多，就將多余的參數(shù)放到內(nèi)存(0x08以后的地址)中存放。這里，假設(shè)每個函數(shù)的參數(shù)都不大于3個。

② 我們在程序中定義的全局變量，以及不是用作函數(shù)的參數(shù)和函數(shù)返回值的局部變量。以上兩種變量在內(nèi)存中0x08地址以后存放，存放完畢后將堆棧指針SP指向分配了變量的片內(nèi)RAM的最后一個字節(jié)。因?yàn)镸CS51單片機(jī)的堆棧是一種滿遞增堆棧且堆棧的寬度為8位，所以在需要壓棧操作時將堆棧指針先加1，后入棧有效內(nèi)容。有了以上規(guī)則，就可以精確地計算出系統(tǒng)分配給用戶的堆?？臻g。以求兩個數(shù)的最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)的函數(shù)為例，代碼如下：

#include

unsigned char max(unsigned char a， unsigned char b);

unsigned charmin(unsigned char a， unsigned char b);

unsigned char M;

void main (void)

{

unsigned char n;

M = max(12， 9);

n = min(12， 9);

}

unsigned char max(unsigned char a， unsigned char b)

{

while(a != b)

{

if(a 》 b)

a = a - b;

else

b = b - a;

}

return a;

}

unsigned char min(unsigned char a， unsigned char b)

{

unsigned char k;

k = ab/M;

return k;

}

這段程序中資源的分配情況如下：一個全變量M(無符號字符型)存放最大公約數(shù);主函數(shù)中定義一個局部變量n(無符號字符型)存放最小公倍數(shù);求最大公約數(shù)的函數(shù)unsigned char max(unsigned char a， unsigned char b)，有兩個參數(shù)a和b;求最小公倍數(shù)的函數(shù)unsigned char min(unsigned char a， unsigned char b)，有兩個參數(shù)a和b，并且定義了一個變量k存放函數(shù)的返回值。可以由此計算出系統(tǒng)分配給變量的空間。函數(shù)的參數(shù)和返回值在工作寄存器組中存放，所以不占用0x08地址以后的空間。系統(tǒng)只給變量M和變量n分配存儲空間，這兩個變量占兩個字節(jié)(地址為0x08和0x09)，則堆棧指針SP應(yīng)該指向0x09。Cx51系統(tǒng)編譯后生成代碼的系統(tǒng)資源占用情況如下：全局變量M的地址為0x08，n的地址為0x09，SP的值為0x09。這與我們的計算結(jié)果相符。

3.計算用戶需要堆棧的大小。堆棧區(qū)到底留多大才算足夠呢? Cx51程序設(shè)計中，用戶需要堆棧的大小可以從普通子函數(shù)和中斷子程序的嵌套層數(shù)來計算。普通子函數(shù)的調(diào)用比較簡單，每次調(diào)用時就是將函數(shù)的返回地址保存在堆棧中，這個地址占兩個字節(jié)。函數(shù)嵌套調(diào)用時，從最內(nèi)層的子函數(shù)算起，總的堆棧需求字節(jié)數(shù)為嵌套的層數(shù)乘以2。中斷子程序的堆棧需求分為兩種情況：

① 中斷子程序使用中斷發(fā)生前的寄存器組。在中斷發(fā)生時，保存中斷子程序的返回地址需要2個字節(jié)。中斷發(fā)生后，在中斷子程序中系統(tǒng)會自動進(jìn)行如下操作：將ACC、B、DPH、DPL、PSW、R0~R7共13個寄存器壓棧。加上中斷返回地址，中斷的堆棧需求為15個字節(jié)。

② 中斷子程序使用自己專用的寄存器組。這種情況下不需要保存R0~R7的內(nèi)容，可以減少堆棧需求，其他的內(nèi)容仍需要壓棧保護(hù)。中斷發(fā)生時，保存中斷子程序的返回地址需要2個字節(jié)。中斷發(fā)生后，在中斷子程序中系統(tǒng)會自動進(jìn)行如下操作：將ACC、B、DPH、DPL、PSW共5個寄存器壓棧。加上、中斷返回地址，這種堆棧的需求為7個字節(jié)。但是這種情況應(yīng)該注意：如果中斷子程序中調(diào)用子函數(shù)，且函數(shù)需要參數(shù)和返回值，則被調(diào)用的子函數(shù)和中斷子程序要使用相同的寄存器組，否則會出現(xiàn)不可預(yù)料的后果。

以一個溫度測試系統(tǒng)為例。系統(tǒng)采用8051作為處理器，溫度信號在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過外部中斷0提醒單片機(jī)接收處理。定時中斷0作為監(jiān)控程序，中斷周期為20 ms。溫度信號可以自動測量(每秒一次)或者手動測量(按測量鍵后測量)，這兩種測量方法可以通過控制鍵切換。中斷子程序和普通子函數(shù)的嵌套情況為：在定時中斷程序中調(diào)用顯示子程序，外部中斷0內(nèi)部沒有函數(shù)調(diào)用。部分程序如下：

void int0(void) interrupt 0 using 1

{

讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù);

數(shù)據(jù)處理;

}

voidtime0 (void) interrupt 1

{

計數(shù)值重裝;

讀鍵;

按鍵處理;

leddisp(adat);//顯示

}

void main (void)

{

相關(guān)數(shù)據(jù)初始化和數(shù)碼顯示自檢;

外部中斷和定時器初始化設(shè)置;

單片機(jī)休眠;

}

void leddisp(unsigned char pt)

{

用串口工作方式0發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，并經(jīng)過74LS164轉(zhuǎn)換后靜態(tài)顯示;

}

接下來分析這段程序的最大堆棧需求。假設(shè)定時器0中斷時，調(diào)用了顯示函數(shù)void leddisp(unsigned char pt)，在調(diào)用顯示函數(shù)時A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束發(fā)生了外部中斷0的中斷。這時應(yīng)該是程序?qū)Χ褩５淖畲笮枨?，堆棧的大小是：定時器0(15字節(jié))+顯示函數(shù)(2字節(jié))+外部中斷0(7字節(jié))=24字節(jié)。

結(jié)語：通過精確的計算編譯系統(tǒng)分配給用戶的堆?？臻g和用戶自己最大的堆棧需求，不僅能從根本上解決堆棧溢出的問題，還可以很好地安排單片機(jī)比較緊張的資源。此外，通過在片內(nèi)存儲器存放適量局部變量，還可以有效地提高軟件的執(zhí)行速度。