單片機 MCU 中 stack 使用的探討

stack 的使用，是單片機開發中影響最大，可是最少被討論的問題。而說起這個問題的地方，都是對這個問題含糊其辭。

今天花了點時間，使用最笨的辦法，直接閱讀彙編代碼，來對這個問題就行探究，這裏作一下記錄。

下面是本次實驗使用的代碼，代碼自己沒有意義，僅做探討 stack 相關問題使用：

short c;

short g(short a) {
    short b[10] = {0x03};

    short i = 0;
    
    for(i = 0; i<10; i++)
    {
        b[1] += b[i] + a;
    }

    if(b[1] < 200)    g(b[1]);

    return b[1];
}

int main(void)
{
    c=g(1);
}

使用 COSMIC 針對 s12z 的編譯器 cxs12z 對代碼進行編譯，獲得的彙編以下：

 1 .const:    section    .text
 2 L3_b:
 3     dc.w    3
 4     ds.b    18
 5     switch    .text
 6 _g:
 7     psh    d2
 8     lea    s,(-25,s)
 9 OFST:    set    25
10     .dcall    "30,2,_g"
11     lea    x,(OFST-25,s)
12     ld    y,#L3_b
13     ld    d2,#5
14 L4:
15     mov.l    (y+),(x+)
16     dbne    d2,L4
17     clr.w    (OFST-2,s)
18     lea    x,(OFST-25,s)
19     ld    d2,(OFST-23,s)
20 L5:
21     ld    d3,(x+)
22     add    d3,(OFST+0,s)
23     add    d2,d3
24     inc.w    (OFST-2,s)
25     ld    d4,(OFST-2,s)
26     cmp    d4,#10
27     blt    L5
28     st    d2,(OFST-23,s)
29     st    x,(OFST-5,s)
30     cmp    d2,#200
31     bge    L31
32     jsr    _g
33     .dcall    "_g:_g"
34     ld    d2,(OFST-23,s)
35 L31:
36     lea    s,(27,s)
37     rts
38 _main:
39     .dcall    "3,0,_main"
40     ld    d2,#1
41     jsr    _g
42     .dcall    "_main:_g"
43     st    d2,_c
44     rts
45     xdef    _main
46     xdef    _g
47     switch    .bss
48 _c:
49     ds.b    2
50     xdef    _c
51     end

閱讀彙編代碼：

1. 第 1-5 行，存儲數組 b 的初始化值到 const 區。b[0]爲3，b[1]-b[9] 爲 0。

2. 第 6 行，函數 g 的標籤。

3. 第 41 行調用了函數 g，並使用寄存器 d2 傳遞 short 型參數給函數 g。根據 Compiler 的文檔，調用函數時若是須要傳遞參數，優先使用 cpu 的 register，符合下面要求的第一個參數將被放入相應寄存器，不符合的話，會合其它參數一塊兒，被放入 stack。參數會按從右到左的數序壓入 stack。這裏顯然 short 是能夠放入 d2 的，並且只有一個參數，沒有用到 stack。

char arguments are passed in d0 and d1, short, int and short _Fract arguments are passed in d2, d3, d4 and d5, long, long _Fract and float arguments are passed in d6 and d7, double and long long arguments are passed in d6:d7,

這裏須要注意，jsr 調用，自己是會將當前 PC 壓入 stack 的（3 個 byte），因此，只是傳遞參數沒有使用 stack。

4. 第 7 行，由於後面的運算可能用到 register d2，因此，先將 d2 壓入 stack。

5. 第 8-9 行，s12z 的 stack 操做方式相關，直接對 s 寄存器操做，在 stacks 上爲當前函數預留 25 個 bytes 使用。

6. 第 11 行，將 （OFST-25, s ）這個地址賦給 x 寄存器，事實上，也就是 b[0] 的地址。

7. 第 12-16 行，對數組 b 進行初始化。每次從 ROM 拷貝 4 個 bytes 到 stack 上，共拷貝了 5 次。

8. 第 17 行，對變量 i 進行了初始化，變量 i 地址爲 (OFST-2, s).

9. 第 18 行，再次讀取 b[0] 地址到 x 寄存器。

10. 第 19 行，讀取 b[1] 內容到 d2 寄存器。c 代碼中第二個循環有個累加操做，累加的值會被暫存在 d2 中。

11. 第 21 行，第 25-27 行的判斷跳轉，這中間的代碼完成了 for 循環。這裏是加載 b[i] 到寄存器 d3；x 寄存器從(OFST-25,s)開始自加，歷遍 b[i]。

12. 第 22.行，b[i] + a

13. 第 23 行，d2 實施上存儲的是 b[1] 的值。b[1] += b[i] + a

14. 第 24 行，i++

15. 第 28 行，for 循環已經結束。再保存 d2 到 b[1] 在 stack 上的存儲空間；和第 19 行相反的操做。

16. 第 29 行，將地址 x （3 byte，24 位）保存到 (OFST-5, s) 開始的 stack 空間。

17. 第 30-32 行，if(b[1] < 200) g(b[1])。這裏有兩個分支：

• a. 當 b[1] 小於 200 時，再次用 jsr 調用函數 g。現實使用 3bytes 的 stack 空間保存了當前的 PC 值，而後進入 g 以後，從新分配了 27 bytes 給下一次調用使用！！！仍然使用 d2（b[1]）傳遞參數給函數 g。
• b. 當 b[1] 大於等於 200 時，跳到分支 L31 執行。第 35-37 行，釋放掉本次調用佔用的 stack 空間，共 27 bytes。第 37 行的 rts 返回的位置，是上一次 jsr _g 的下一行；以前申請的 stack 空間，在迭代達到最深後，隨着一個個 rts，前後被釋放。

18. 第 34 行，這裏，函數迭代調用結束；即，當 jsr _g 的 rts 達到值後，會繼續從這裏執行。因此，最後一次的 b[1] 被從新賦值給 d2，經過 d2 將返回值傳給 mian 函數。在第 43 行，返回值被從 d2 傳輸到變量 c 的 RAM 空間。

19. 第 40 行，將當即數 1 存入 d2 寄存器。

20. 第 41 行，調用函數 g。

21. 第 42 行，將返回值賦值賦值給 c。

22. 第 45-46 行，聲明全局變量，供 link 使用。

23. 第 49-50 行，聲明全局變量 c，大小爲 2 bytes。

 

另外，仍是用 arm-noneabi-gcc 編譯了上面 C 代碼，產生的彙編也是大同小異。可見，你們翻譯 C 語言和翻譯爲彙編時，大的討論是差很少的。

 

上面的代碼涉及了 stack 調用狀況的：

1. 函數跳轉時，保存 PC 指針 3 bytes；

2. 函數內部變量，即局部變量被放在 stack 上，在這裏是。

 

上面的代碼沒有涵蓋的使用：

1. 使用 stack 傳遞參數；

2. 使用 stack 傳遞返回值。

3. 中斷跳轉和中斷返回自動進行 stack 操做的情形。

 

此外，編譯完成後，該編譯器會在 map 文件中彙總分析 stack 的使用狀況；在使用 arm-noneabi-gcc 時，產生的每一個彙編函數都有進行 stack 使用報告。