初步理解c语言栈的运行机理代码段分区

Posted 2021-05-30 努力把握好每一天，只愿成为更好的自己

MCU栈空间分配及运行机理

栈区：

　　栈(stack)：是一种先进后出的内存结构，所有的局部变量，函数的形参都是由编译器自动放出栈中，当一个自动变量超出其作用域时，自动从栈中弹出。出入栈是由C语言编译器自动分配释放。

　　栈大小(stacksize)：通常可以配置编译器或通过改写链接文件调整栈空间大小。

　　栈溢出：当栈空间已满，还继续往栈内压变量，会导致栈溢出，通常表现为程序非预期运行（部分RAM数据乱掉，严重情况下会导致程序跑飞）。

 

基于飞思卡尔9S12系列 16bit MCU理解栈的运行机理：

1、建立以下示例代码片上仿真工程（9S12D64为例说明）

 1 #include <hidef.h>      /* common defines and macros */
 2 #include "derivative.h"      /* derivative-specific definitions */
 3 
 4 static int StaticTestNotInit[10]; /* 未初始化的静态数组 */
 5 int TestNotInit[10];  /* 未初始化的全局变量数组 */
 6 int Test[] = {0x10,0x20}; /* 赋初值的全局变量数组 */
 7 
 8 int TestFunction(int a, int b) {
 9   static int TempVar[10]; /* 子函数静态数组 */
10   static int Index = 0;
11   
12   int TestTempList[8] = {0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};  /* 子函数局部变量数组 */
13   
14   int ret = a + b + TestTempList[Index];
15   TempVar[Index++] = ret;
16   if(Index >= (sizeof(TempVar)/sizeof(int))) Index = 0;
17   
18   return ret;
19 }
20 
21 void main(void) {
22   /* put your own code here */
23   int i = 0;  /* 主函数临时变量 */
24   for(i = 0; i < sizeof(StaticTestNotInit)/sizeof(int);i++)
25     StaticTestNotInit[i] = 0x01;
26     
27   for(i = 0; i < sizeof(TestNotInit)/sizeof(int);i++)
28     TestNotInit[i] = 0x02;
29     
30   for(i = 0; i < sizeof(Test)/sizeof(int);i++)
31     Test[i] = 0x03;
32     
33   i = TestFunction(Test[0],Test[1]);
34   i = TestFunction(TestNotInit[0],StaticTestNotInit[1]);
35 
36     EnableInterrupts;
37 
38 
39   for(;;) {
40     _FEED_COP(); /* feeds the dog */
41   } /* loop forever */
42   /* please make sure that you never leave main */
43 }

2、编译后打开map文件：

2.1 栈区ram划分

 

栈大小(stacksize)，工程默认为0x100，地址从0x400-0x4FF，可在链接文件prm中修改，如下图所示，修改为0x200后再次编译查看map文件。

 

 

 

 

 

 栈空间调整为0x200，地址范围为：0x400-0x5FF

2.2 不同位置定义的变量内存分配

 

 

 

 

 如上图所示：

第4行定义的未初始化的静态数组 StaticTestNotInit[10] ，分配在.bss数据段，地址空间为0x606-0x619，共20字节（16位机的int宽度为2字节）

第5行定义的未初始化全局变量数组 TestNotInit[10] ，分配在.common数据段，地址空间为0x62E-0x641，同样为20字节

第6行定义的赋初值的全局变量数组 Test[2] ，分配在.data数据段，地址空间为0x600-0x603，共4字节

第9行、10行定义的子函数静态变量TempVar[10],Index，分配在.bss数据段，地址空间分别为0x61A-0x62D和0x604-0x605;

其他变量(main函数内的i,TestFaunction函数内部的TestTempList[8],ret等)，均在运行时分配在栈空间内。

3、仿真调试

3.1 mian函数运行开始时的memory分布

　　如下图所示，MCU上电运行startup函数，调用main函数接口时，将startup函数的下一条指令压栈，即栈区的0x5FD-0x5FF地址空间(0x00C00B，特别说明:9S12系列单片机全局地址为24bit)。

.data段数据直接被startup函数填充为对应初值，.bss及.common数据段则被startup函数填充为0

（startup函数的实现，此处暂不讨论，通常应用也无需关注，当需要做bootloader时再进行深入探究）

 

 

 　　单步运行至24行代码时，此时第23行定义的局部变量i被分配到栈空间，并被附初值0

 

 

 　　继续运行至27行代码，可以看到StaticTestNotInit数组所有值均被更改为0x01

 

 

  　　继续运行至30行代码，可以看到TestNotInit数组所有值均被更改为0x02

 

 

   　　继续运行至33行代码，可以看到Test数组所有值均被更改为0x03

 

　　进入子函数，此时先将形参a压入栈空间(0x5F9-0x5FA)，主函数的下一条指令地址(0x3C809C)被压入栈空间（0x5F6-0x5F8）

 

 

 　　单步运行，此时可以看到，先为局部变量数组TestTempList[8]以及ret分配了栈空间，然后在将第二个形参压入栈空间(0x5E2-0x5E3)，此处压栈顺序与编译器有关

 

 　　继续单步，可以看到初步对TestTempList赋初值，然后计算出ret的结果

 

 　　当子函数执行完毕后，返回主函数时，子函数分配的栈空间自动回收

 

 

基于瑞萨RH850系列 32bit MCU理解栈的运行机理（暂略，后期补充）

 

 

总结

综上所述，子函数调用会将主调函数的下一条指令地址、子函数形参压栈，并在栈空间中为子函数分配所需的所有局部变量（按作用域进行分配和回收）。

所以，工程应用时，可根据map文件中的函数调用关系，查看各个调用链级的局部变量、形参数量进行STACKSIZE预估，并按照1.5-2倍进行空间预留，才能有效保证栈空间的安全性

PS：函数指针部分编译器无法绘制调用关系，并且MCU运行工况的高复杂性，中断调用等均需消耗栈空间，所以为了保证安全性，需进行空间预留

栈溢出判断：可在项目进行性能调优阶段，增加栈空间监测，采用高精度定时器，实时判断栈空间80-90%位置的数据是否被改变，通过IO翻转输出(示波器捕捉)，用于确保栈空间的安全性。