51单片机的仿真栈(模拟栈/可重入栈)

Posted 2021-02-06 jikexianfeng

51单片机的仿真栈(又叫模拟栈、或者可重入栈)。

首先来看，51的系统栈(又叫系统栈，或者硬件栈)，就是SP所指向的栈，他是一个满增栈(注释1)，位于片内RAM的128 bytes之中，上电之后系统堆栈指针SP的初值等于多少呢?这个要从51的启动文件来分析，启动文件中有这样的汇编代码：

?STACK SEGMENT IDATA ;定义一个片内数据段，段名：?STACK

RSEG ?STACK ;选择之前定义过的一个可重定位的段?STACK，下面的汇编语句将会被放置到该段，直到遇到下一个段定位指令，例如CSEG/RSEG。

DS 1 ;预留存储区命令。声明先占用一个字节的空间，在编译时，这个预留的空间不会被其他变量所使用。在这里的意义是，给硬件栈分配1个byte(实际这样是有问题的，应该为硬件栈预留更多空间)

还有：

MOV SP,#?STACK-1

由上可见，SP被初始化为#?STACK-1，在#?STACK地址处，DS指令预留了N个字节的空间，这些空间就是硬件栈的空间

但启动文件的代码中，DS 1相当于只给硬件栈预留了1个字节，这实际上会出问题，原因如下：片内RAM中会有多个数据段，只要使用XX SEGMENT IDATA指令即可在片内RAM中声明一个数据段XX，如果整个工程程序中，声明了多个数据段，?STACK数据段就只是片内RAM中众多数据段中的一个，如果只给?STACK段预留1个字节，而?STACK数据段后面又有别的数据段，那么我们的硬件栈就只有1个字节了，一旦发生中断，CPU寄存器自动入栈立即导致栈溢出，溢出后踩了别的变量的内存，程序基本崩溃;对于这个问题，keil是这样处理的：keil在链接阶段总是把?STACK数据段链接为片内RAM中的最后一个数据段，即使我们只给他预留了1个字节，那也不要紧，反正该段后面没有别的变量占用，只要SP别超出0X7F(片内RAM地址的上限)就行了。通过观察.m51(map文件)我们发现，keil确实是把?STACK数据段放到了片内RAM的最后，下面是某个51工程生成的map文件摘抄：

* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *

REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"

DATA 0008H 0002H UNIT ?C?LIB_DATA

IDATA 000AH 000DH UNIT ?ID?UCOS_II

0017H 0009H *** GAP ***

BIT 0020H.0 0000H.1 UNIT ?BI?SERIAL

0020H.1 0000H.7 *** GAP ***

IDATA 0021H 0041H UNIT ?STACK ; 作者注：就是这一行!

* * * * * * * X D A T A M E M O R Y * * * * * * *

XDATA 0000H 080EH UNIT ?XD?SERIAL

XDATA 080EH 0804H UNIT ?XD?MAIN

XDATA 1012H 0490H UNIT ?XD?UCOS_II

XDATA 14A2H 005CH UNIT _XDATA_GROUP_

为避免系统栈不够用，一个比较稳妥的办法就是，用汇编指令DS给?STACK数据段预留更多的空间，上面这个51工程中在另一个汇编文件中又给?STACK数据留出了40H个字节，这样总共就有41H个字节了。这样做的好处是可以在编译链接阶段即可排查堆栈错误，举个例子： 假设片内RAM中的数据段有很多，以至于，除了?STACK数据段之外，片内RAM只剩2个字节了，而?STACK数据段我们只默认采用了启动文件中的配置预留一个字节，这样编译没有任何问题，keil给编译通过了，但是运行过程中系统栈只有2个字节，肯定是分分钟就发生栈溢出，然后崩溃;假设片内RAM中的数据段有很多，以至于，除了?STACK数据段之外，片内RAM只剩2个字节了，而如果我们给?STACK数据段用DS指令分配40H个字节，这样keil在编译时就会发现51的片内RAM不足而报错，无法编译，从而在编译链接阶段帮助我们发现堆栈问题。

继续上面的问题，SP复位后的初值是多少，SP复位后等于0X07，但是立即就被启动文件通过语句MOV SP,#?STACK-1给改掉了，所以在进入main函数时SP的值是启动文件修改后的值，也即#?STACK-1(注，很好理解，这里-1是满增栈的特性)，那么#?STACK的值又是多少呢?看上面的汇编语句?STACK SEGMENT IDATA，这一句声明?STACK段为一个可重定位的段，也就是说，?STACK段的首地址(#?STACK)在编译器进行程序链接时才能确定下来，也就是说，#?STACK的值是在链接时由编译器自动分配的，编译阶段不分配。仍然以上面摘抄的这段map文件为例，我们发现，?STACK段的起始地址是0021H，也就是说，#?STACK就等于21H。

仿真栈是keil为51生成可重入函数时用的(通过给函数使用关键词 REENTRANT限定，可使该函数具备可重入特性)，对于STM32来说，默认生成的函数(不含全局变量和静态局部变量的函数)就是可重入的，而keil为51生成的函数，即使这个函数不含全局变量和静态局部变量，默认情况下keil也不会把这个函数汇编成可重入的，我认为keil主要是考虑到51的片内RAM匮乏，在不外接RAM的情况下，函数如果被编译为可重入的，可重入函数的执行需要占用一定的栈空间(尤其是由可重入函数嵌套调用产生的长的调用链，所需的栈更多)。

可重入函数在执行过程中是需要使用栈的，那么51的可重入函数使用的栈在哪呢?是SP指向的那个系统栈吗?答案是：不是。下面是解释：

当我们给51外扩了大的片外RAM时，就不用担心RAM不够的问题了，但是还有一个问题，系统栈指针SP只能寻址0~7FH共128字节的空间，可重入函数肯定不允许被编译成使用系统栈，否则，就算外扩了RAM，这个外扩RAM又无法供系统栈来使用，外扩RAM就没有意义了，所以keil为51打造了一个仿真栈的概念，keil在启动文件中声明了一个1或2字节的变量作为栈指针，这个栈指针的名字和大小根据编译模式的不同而不同，以大编译模式(注释2)为例，大编译模式下，启动文件中的XBPSTACK常量需要程序员手动设置为1，这样启动文件中使用到的条件编译，将会引用到一个2字节的仿真栈指针?C_XBP，由于keil把仿真栈作为满减栈，所以这个仿真栈指针?C_XBP被初始化为片外RAM地址的最大值加1，若我们外接了一个64K的片外RAM，该RAM的最大地址是0XFFFF，那么栈指针?C_XBP被初始化为0XFFFF+1=溢出为0x0000。再举一个小编译模式的例子，小编译模式是用来给没有外扩RAM的51用的，这样51只能使用片内0~127共128字节的RAM(这128RAN中还有一部分是Rn等，留给程序可用的RAM就更少了)，在小编译模式下，keil给51生成的仿真栈指针名叫?C_IBP，同时需要程序员手动把IBPSTACK常量设置为1，指针?C_IBP的初值被初始化为可用RAM的最大地址(127)加1，也即0x7f+1。关于小编译模式small、压缩编译模式compact、大编译模式large在堆栈处理上方面的不同，可参考这篇文章点击打开链接，如果链接挂了，可自行搜索：《Keil模式设置和编程事项》。

注释1：满增栈，满指的是SP总是指向最后一个入栈的字节的地址，增指的是每入栈一次，SP变大。相应的，还有空增栈、空减栈、满减栈，空指的是SP总是指向栈中下一个空闲位置的地址。

注释2：如何选择大编译模式：以keil5为例，依次选择->魔术棒->Target选项卡，Memory Model选择Large:var...，Code Rom Size选择Large....

附：举一个不可重入函数使用中可能发生的陷阱，假设有分别有如下两个函数，第一个可重入，第二个不可重入

int add5_re(char a1,char a2,char a3,char a4,char a5) REENTRANT

{

int sum;

sum=a1+a2+a3+a4+a5;

return sum;

}

int add5(char a1,char a2,char a3,char a4,char a5)

{

int sum;

sum=a1+a2+a3+a4+a5;

return sum;

}

这两个函数的形参以及局部变量分配等信息我们查阅.m51文件，分别如下(分号后面的注释是博主自己加上的)：

[plain] view plain copy------- PROC _?ADD5_RE

x:0002H SYMBOL a1 ;注意，地址标号前为小x，指a1倍分配到了仿真栈中

x:0003H SYMBOL a2

x:0004H SYMBOL a3

x:0005H SYMBOL a4

x:0006H SYMBOL a5

------- DO

x:0000H SYMBOL sum

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

------- PROC _ADD5

D:0007H SYMBOL a1 ;R7

D:0005H SYMBOL a2 ;R5

D:0003H SYMBOL a3 ;R3

X:14ABH SYMBOL a4 ;注意地址标号前为大X，指外部RAM

X:14ACH SYMBOL a5

------- DO

D:0006H SYMBOL sum ;R6

我们发现，add5中的形参和局部变量a1/a2/a3/sum分到了Rn中，a4/A5分到了外部RAM xdata的绝对地址处，如果我们在main的调用链中和中断函数中都调用了add5这个函数，就会发生错误，假设恰好在main的调用链中执行add5时发生了中断，切换到中断函数中去执行add5，那么main调用链中的a1/a2/a3/sum因为被分到了Rn中，进入中断会切换register BANK，使得main调用链中的a1/a2/a3/sum没有被破坏，得以幸免，但是a4/a5因为被分配到了绝对地址中，在中断执行完add5以后，main链条中的add5的a4/a5肯定会被破坏!!

对于可重入的add5_re函数，即使main调用链和中断同时调用它也不会出现上述被破坏的情形，因为add5_re的形参和局部变量全部都被定义到了仿真栈中(见上述代码注释)，main调用链中使用add5_re函数会申请栈空间，中断时add5_re又会申请新的栈空间。

还要注意的是，因为keil编译51程序时，使用了覆盖技术(不同函数的形参和局部变量可分时共享同一个绝对内存单元)，这也有可能产生陷阱，假设这样一种情况：有一个函数func2( )的局部变量b在编译后被分配到了绝对xdata的地址14ABH处，和上文的add5的a4变量共享内存，这种情况下，即使 { func2( )仅在中断中被调用,main调用链中不调用func2( )}、且{ add5仅在main调用链中被调用，中断中不调用add5 }，也会出问题，原因是显而易见的，如果在add5执行过程中发生中断，中断中使用过变量b之后，会破坏add5中的变量a4。究其原因在于，共享地址的编译方式生成的函数，只要分时调用就不会产生被破坏的情形，但是发生中断导致了分时机制被破坏，以至于产生了同时调用。

结论：中断中使用的函数，要么是可重入的，要么是该函数的局部变量全部是独享内存单元的。