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【转载】学STM32单片机,要理解它的堆栈--from嗷呜

工程师
2023-01-09 13:13:43     打赏
学习 STM32 单片机的时候,总是能遇到 “堆栈” 这个概念。本文来分析一下堆栈相关的知识内容,希望对你的理解有帮助。

对于了解一点汇编编程的人,就可以知道,堆栈是内存中一段连续的存储区域,用来保存一些临时数据。堆栈操作由 PUSH、POP 两条指令来完成。而程序内存可以分为几个区:

  • 栈区(stack)
  • 堆区(Heap)
  • 全局区(static)
  • 文字常亮区
  • 程序代码区

程序编译之后,全局变量,静态变量已经分配好内存空间。在函数运行时,程序需要为局部变量分配栈空间,当中断来时,也需要将函数指针入栈,保护现场,以便于中断处理完之后再回到之前执行的函数。

栈是从高到低分配,堆是从低到高分配。普通单片机与STM32单片机中堆栈的区别

普通单片机启动时,不需要用 bootloader 将代码从 ROM 搬移到 RAM。

但是STM32单片机需要,可以参考相关文章:STM32启动详细流程分析。这里我们可以先看看单片机程序执行的过程,单片机执行分三个步骤:

  • 取指令
  • 分析指令
  • 执行指令

根据 PC 的值从程序存储器读出指令,送到指令寄存器。然后分析、执行。这样单片机就从内部程序存储器取代码指令,从RAM 存取相关数据。

RAM 取数据的速度是远高于 ROM 的,但是普通单片机因为本身运行频率不高,所以从 ROM 取指令慢并不影响。

而 STM32 的 CPU 运行的频率高,远大于从 ROM 读写的速度。所以需要用 bootloader 将代码从 ROM 搬移到 RAM(请注意,这部分表述存在问题)。使用就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。使用就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。其实堆栈就是单片机中的一些存储单元,这些存储单元被指定保存一些特殊信息,比如地址(保护断点)和数据(保护现场)。如果非要给他加几个特点的话那就是:

  • 这些存储单元中的内容都是程序执行过程中被中断打断时,事故现场的一些相关参数。如果不保存这些参数,单片机执行完中断函数后就无法回到主程序继续执行了。
  • 这些存储单元的地址被记在了一个叫做堆栈指针(SP)的地方。

结合STM32的开发讲述堆栈从上面的描述可以看得出来,在代码中是如何占用堆和栈的。可能很多人还是无法理解,这里再结合 STM32 的开发过程中与堆栈相关的内容来进行讲述。如何设置STM32的堆栈大小?在基于MDK的启动文件开始,有一段汇编代码是分配堆栈大小的。

微信图片_20230109130641.png

这里重点知道堆栈数值大小就行。还有一段 AREA(区域),表示分配一段堆栈数据段。数值大小可以自己修改,也可以使用 STM32CubeMX 数值大小配置,如下图所示。

微信图片_20230109130708.jpg



STM32F1 默认设置值 0x400,也就是 1K 大小。

Stack_Size  EQU  0x400

函数体内局部变量:

void Fun(void)
{
   char i;
   int Tmp[256]; //...
}
局部变量总共占用了 256*4 + 1 字节的栈空间。所以,在函数内有较多局部变量时,就需要注意是否超过我们配置的堆栈大小。

函数参数:

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
这里要强调一点:传递指针只占 4 字节,如果传递的是结构体,就会占用结构大小空间。提示:在函数嵌套,递归时,系统仍会占用栈空间。

堆(Heap)的默认设置 0x200(512)字节。

Heap_Size  EQU  0x200
大部分人应该很少使用 malloc 来分配堆空间。虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问,但是,如果忘记了释放堆内存,那么将会造成内存泄漏,甚至致命的潜在错误。

MDK中RAM占用大小分析经常在线调试的人,可能会分析一些底层的内容。这里结合 MDK-ARM 来分析一下RAM 占用大小的问题。在 MDK 编译之后,会有一段 RAM 大小信息:

微信图片_20230109131106.png

这里 4+1636=1640,转换成16进制就是 0x668,在线进行调试时,会出现:

微信图片_20230109131138.png

这个 MSP 就是主堆栈指针,一般我们复位之后指向的位置,复位指向的其实是栈顶:

微信图片_20230109131206.png

而MSP指向地址 0x20000668 是 0x20000000 偏移 0x668 而得来。具体哪些地方占用了 RAM,可以参看 map 文件中【Image Symbol Table】处的内容:

微信图片_20230109131214.png

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高工
2023-01-09 13:37:30     打赏
2楼

感谢分享


高工
2023-01-09 13:52:56     打赏
3楼

谢谢分享


专家
2023-01-10 06:21:21     打赏
4楼

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专家
2023-01-10 08:42:00     打赏
5楼

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高工
2023-01-10 08:48:22     打赏
6楼

学习一下


专家
2023-01-10 08:52:57     打赏
7楼

谢谢分享


院士
2023-01-10 08:58:02     打赏
8楼

谢谢分享


院士
2023-03-25 17:07:37     打赏
9楼

学习了堆和栈的相同与不同,谢谢分享。


专家
2023-03-27 06:28:58     打赏
10楼

感谢楼主的分享


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