詳解STM32單片機(jī)的堆棧

中聯(lián)恒升線路板 · 發(fā)表于 2021-4-3 14:52:57

學(xué)習(xí)STM32單片機(jī)的時(shí)候，總是能遇到“堆�！边@個(gè)概念。分享本文，希望對(duì)你理解堆棧有幫助。
對(duì)于了解一點(diǎn)匯編編程的人，就可以知道，堆棧是內(nèi)存中一段連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域，用來(lái)保存一些臨時(shí)數(shù)據(jù)。堆棧操作由PUSH、POP兩條指令來(lái)完成。而程序內(nèi)存可以分為幾個(gè)區(qū)：
棧區(qū)（stack）
堆區(qū)（Heap）
全局區(qū)（static）
文字常亮區(qū)程序代碼區(qū)
程序編譯之后，全局變量，靜態(tài)變量已經(jīng)分配好內(nèi)存空間，在函數(shù)運(yùn)行時(shí)，程序需要為局部變量分配�？臻g，當(dāng)中斷來(lái)時(shí)，也需要將函數(shù)指針入棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，以便于中斷處理完之后再回到之前執(zhí)行的函數(shù)。
棧是從高到低分配，堆是從低到高分配。
普通單片機(jī)與STM32單片機(jī)中堆棧的區(qū)別
普通單片機(jī)啟動(dòng)時(shí)，不需要用bootloader將數(shù)據(jù) 從ROM搬移到RAM。
但是STM32單片機(jī)需要。
這里我們可以先看看單片機(jī)程序執(zhí)行的過(guò)程，單片機(jī)執(zhí)行分三個(gè)步驟：
取執(zhí)行
分析指令
執(zhí)行指令
根據(jù)PC的值從程序存儲(chǔ)器讀出指令，送到指令寄存器。然后分析執(zhí)行執(zhí)行。這樣單片機(jī)就從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器去代碼指令，從RAM存取相關(guān)數(shù)據(jù)。
RAM取數(shù)的速度是遠(yuǎn)高于ROM的，但是普通單片機(jī)因?yàn)楸旧磉\(yùn)行頻率不高，所以從ROM取指令慢并不影響。
而STM32的CPU運(yùn)行的頻率高，遠(yuǎn)大于從ROM讀寫的速度。所以需要用bootloader將數(shù)據(jù) 從ROM搬移到RAM。
使用棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點(diǎn)菜（發(fā)出申請(qǐng)）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會(huì)切菜、洗菜等準(zhǔn)備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己動(dòng)手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。
其實(shí)堆棧就是單片機(jī)中的一些存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元被指定保存一些特殊信息，比如地址（保護(hù)斷點(diǎn)）和數(shù)據(jù)（保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)）。
如果非要給他加幾個(gè)特點(diǎn)的話那就是：
這些存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容都是程序執(zhí)行過(guò)程中被中斷打斷時(shí)，事故現(xiàn)場(chǎng)的一些相關(guān)參數(shù)。如果不保存這些參數(shù)，單片機(jī)執(zhí)行完中斷函數(shù)后就無(wú)法回到主程序繼續(xù)執(zhí)行了。
這些存儲(chǔ)單元的地址被記在了一個(gè)叫做堆棧指針（SP）的地方。
結(jié)合STM32的開發(fā)講述堆棧
從上面的描述可以看得出來(lái)，在代碼中是如何占用堆和棧的�？赡芎芏嗳诉€是無(wú)法理解，這里再結(jié)合STM32的開發(fā)過(guò)程中與堆棧相關(guān)的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行講述。
如何設(shè)置STM32的堆棧大��？
在基于MDK的啟動(dòng)文件開始，有一段匯編代碼是分配堆棧大小的。

這里重點(diǎn)知道堆棧數(shù)值大小就行。還有一段AREA（區(qū)域），表示分配一段堆棧數(shù)據(jù)段。數(shù)值大小可以自己修改，也可以使用STM32CubeMX數(shù)值大小配置，如下圖所示。

在IAR中，是通過(guò)工程配置堆棧大小，如下圖所示。

STM32F1默認(rèn)設(shè)置值0x400，也就是1K大小。
Stack_Size EQU 0x400
函數(shù)體內(nèi)局部變量：
void Fun(void){ char i; int Tmp[256]; //...}
局部變量總共占用了256*4 + 1字節(jié)的棧空間。所以，在函數(shù)內(nèi)有較多局部變量時(shí)，就需要注意是否超過(guò)我們配置的堆棧大小。
函數(shù)參數(shù)：
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：傳遞指針只占4字節(jié)，如果傳遞的是結(jié)構(gòu)體，就會(huì)占用結(jié)構(gòu)大小空間。提示：在函數(shù)嵌套,遞歸時(shí)，系統(tǒng)仍會(huì)占用�？臻g。
堆（Heap）的默認(rèn)設(shè)置0x200（512）字節(jié)。
Heap_Size EQU 0x200
大部分人應(yīng)該很少使用malloc來(lái)分配堆空間。雖然堆上的數(shù)據(jù)只要程序員不釋放空間就可以一直訪問(wèn)，但是，如果忘記了釋放堆內(nèi)存，那么將會(huì)造成內(nèi)存泄漏，甚至致命的潛在錯(cuò)誤。
MDK中RAM占用大小分析
經(jīng)常在線調(diào)試的人，可能會(huì)分析一些底層的內(nèi)容。這里結(jié)合MDK-ARM來(lái)分析一下RAM占用大小的問(wèn)題。在MDK編譯之后，會(huì)有一段RAM大小信息：

這里4+6=1640，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制就是0x668，在進(jìn)行在調(diào)試時(shí)，會(huì)出現(xiàn)：

這個(gè)MSP就是主堆棧指針，一般我們復(fù)位之后指向的位置，復(fù)位執(zhí)向的其實(shí)是棧頂：

而MSP指向地址0x20000668是0x20000000偏移0x668而得來(lái)。具體哪些地方占用了RAM，可以參看map文件中【Image Symbol Table】處的內(nèi)容：