Keil C51里关于堆栈指针的处理

Posted 2020-11-23 waynekhoutech

Keil C是非常优秀的C51编译器，可能是最好的C51编译器，提供各种优化模式，对变量的优化和地址安排做得非常好。这是用C语言写代码的好处之一，如果用汇编写，得费一大番功夫给各个变量安排内存物理地址，还得时刻记住哪些地址的内存单元是已经分配了，新增加的变量就不能占用那些已经分配了的单元，以免产生内存交叠冲突和溢出。我一直非常信赖Keil C51的编译结果，在我的印象里，它对内存的分配是完美的，只要代码用它编译时没有报告任何warning和error，代码运行时不可能内存冲突或溢出的现象。
但，今天发生的事情证明我错了。
手头上有个产品的代码，代码量很大。程序跑起来的效果不大好，因此打算把代码优化一下。代码量越大，通常可优化的地方也越多。对8051来说，访问芯片内部的data区（0~7FH）内存速度是最快的，直接访问，一条指令就能读写，而idata区（80H~FFH）虽然还是内存区，但由于地址分配上跟特殊寄存器SFR重合，只能间接地址访问，两条指令才能读写，速度稍慢点，而外存xdata区（0~7FFFH）必须使用DPTR指针才能访问，速度是最慢的。很明显，优化的原则就是尽量把频繁读写的变量优先安排在data区，然后是idata区，最后才是xdata区。
当我做完变量手工优化工作后，把编译模式设为SMALL，这样C51编译器会自动把那些我没手工指定存放区的变量优先安排进data区，如果超出有效地址范围，它会报错，因此我大可以放心。按下rebuild all按钮后，编译器提示：
Program Size: data=236.2 xdata=19321 code=43372
"ipphone_main" - 0 Error(s), 0Warning(s).
编译器提示的data区包括了idata在内，按以往的经验来看，data区有256个byte，程序才使用了236.2个，还剩下19个，没有溢出，而xdata有32k，现在才使用了19k，远没有溢出，编译结果一切很正常。
把代码烧录进芯片跑起来后，结果出人意料，从现象来看，上电约1秒后就自动重启，重启后过1秒又重启，非常有规律的重启。
我没有怀疑是编译器的原因，当时第一念头是怀疑是看门狗，代码里上电后就打开了看门狗，可能某些子程序代码执行时间过长，看门狗复位了，于是在有怀疑的地方插入了喂狗代码，重新编译后再测试，依然自动重启。于是干脆就把看门狗的代码注释了，不使用看门狗，以为这回没问题了吧，结果出人意料，还是重启。
我仔细想了一下，能造成8051的重启的原因不多，一是看门狗引起的重启，这点可以排除；二是某些8051支持重启指令，我手头上用的这款虽然支持，但我没用过那指令，这点也可以排除；三是8051被强干扰，把取指寄存器PC的内容改变了，改成0，于是就重启了，这点也可以排除，因为如果现场有强干扰，没优化前也会重启才对。
由于没想出来是什么原因，于是开始折腾，把优化的变量一个个恢复成未恢复优化的状态，每恢复一步就重新测试一次。终于在恢复一个16字节的数组时发现程序正常了，仔细看了一下，那数组定义在xdata区的时候程序就完全正常，而定义在idata区的时候程序就复位了，虽然奇怪的是，定义在idata区时，编译器并没有报告内存溢出。跟踪汇编指令也没发现异常，无论定义在idata还是xdata，编译器为该数组分配的地址证明确实都是有效地址，确实没有溢出，编译器的安排还是正确。
虽然还没找到根源，但问题既然是出现在内存上，我于是决定查看当那个数组指定为idata类型时的内存分配。Keil C51在编译时会输出一个M51文件，该文件包含了大量的内存分配信息，非常详细，包括哪个变量被编译器分配到哪个内存地址，占用多少个字节，哪些变量是局部变量，可以重复利用……这个M51文件里都有详细的列表。
从列表里的变量分配地址一路看下来，都没错，边看还边惊叹编译器对变量的分配安排非常精确，但看到最后一个堆栈指针的安排时，终于发现问题所在了，它是这样安排的：

  TYPE        BASE       LENGTH      RELOCATION      SEGMENT NAME
  ----------------------------------------------------------------------------------------------
  IDATA       0080H     0034H          UNIT                      _IDATA_GROUP_
  IDATA       00B4H     0022H          UNIT                      ?ID?IPPHONE_MAIN
  IDATA       00D6H     001FH          UNIT                      ?ID?DNS_NICRCV?IPPHONE_DNS
  IDATA       00F5H      0004H          UNIT                      ?ID?DISP
  IDATA       00F9H      0001H          UNIT                      ?STACK
这上面标有STACK的段就是堆栈分配，上面的数据表明，SP堆栈指针安排在F9H这个地址，堆栈空间是1个字节！表面看没有溢出，但我的程序里使用了中断服务，进入中断服务时，至少需要8个字节的堆栈空间（保存R0~R7寄存器）来进行保护现场，8051使用的是递增压栈的设计，堆栈指针往往被安排在内存空间的后面可用部分，每压栈一个字节，SP指针往上加1，进中断服务时，至少压栈8个字节，F9H+8，超出了FFH，堆栈指针不能超过FFH，也就是说堆栈溢出了！原来这就是导致程序不断重启的原因，不是变量内存溢出，而是堆栈溢出！
而当我把那个数组指定为xdata类型后，由于该数组不再占用idata区，于是IDATA一下子多了16个字节的可用空间，重新编译后的M51这样安排：
  IDATA      0080H      0024H           UNIT                      _IDATA_GROUP_
  IDATA      00A4H      0022H           UNIT                      ?ID?IPPHONE_MAIN
  IDATA      00C6H      001FH           UNIT                      ?ID?DNS_NICRCV?IPPHONE_DNS
  IDATA      00E5H      0004H           UNIT                      ?ID?DISP
  IDATA      00E9H      0001H           UNIT                      ?STACK
从这组数据来看，SP指针安排到在E9H这个地址，堆栈空间有FFH-E9H+1=23个字节，对于程序来说已经够用，因此程序运行正常。
多次调整变量类型的编译结果表明，C51对于堆栈空间需求大小不作计算，任何代码都只是按堆栈空间只有1个字节需求来分配（在我眼里看来这明显是胡来，稍复杂点的子程序调用都不可能只要1个字节就能完成现场保护），由于堆栈只能分配在data区和idata区，因此当一个程序为了优化而data区占用太多时，虽然编译器能编译成功，但往往SP堆栈指针被分配在data区的最后面，很容易造成堆栈空间不够而溢出。为保险起见，最好保证编译后的SP值安排在F0H之前，那样至少有16个字节的堆栈空间，才能最大限度保证程序不会跑飞。
看样子不能太相信Keil C51，以后编译完后，还得查看一下M51才能确保程序的质量，不知道这个算不算Keil C51的bug。

 

转发自：http://bbs.21ic.com/icview-147240-1-1.html

 

笔记：

1、编译结果是静态的，并没有分析动态过程（中断、动态内存分配、函数调用等等）。

2、中断现场保护需要压栈，需要一定的栈空间。