Keil C51里關于堆棧指針的處理

Keil C是非常優秀的C51編譯器，可能是最好的C51編譯器，提供各種優化模式，對變量的優化和地址安排做得非常好。這是用C語言寫代碼的好處之一，如果用匯編寫，得費一大番功夫給各個變量安排內存物理地址，還得時刻記住哪些地址的內存單元是已經分配了，新增加的變量就不能占用那些已經分配了的單元，以免產生內存交疊沖突和溢出。我一直非常信賴Keil C51的編譯結果，在我的印象里，它對內存的分配是完美的，只要代碼用它編譯時沒有報告任何warning和error，代碼運行時不可能內存沖突或溢出的現象。
但，今天發生的事情證明我錯了。
手頭上有個產品的代碼，代碼量很大。程序跑起來的效果不大好，因此打算把代碼優化一下。代碼量越大，通常可優化的地方也越多。對8051來說，訪問芯片內部的data區（0~7FH）內存速度是最快的，直接訪問，一條指令就能讀寫，而idata區（80H~FFH）雖然還是內存區，但由于地址分配上跟特殊寄存器SFR重合，只能間接地址訪問，兩條指令才能讀寫，速度稍慢點，而外存xdata區（0~7FFFH）必須使用DPTR指針才能訪問，速度是最慢的。很明顯，優化的原則就是盡量把頻繁讀寫的變量優先安排在data區，然后是idata區，最后才是xdata區。
當我做完變量手工優化工作后，把編譯模式設為SMALL，這樣C51編譯器會自動把那些我沒手工指定存放區的變量優先安排進data區，如果超出有效地址范圍，它會報錯，因此我大可以放心。按下rebuild all按鈕后，編譯器提示：
Program Size: data=236.2 xdata=19321 code=43372
"ipphone_main" - 0 Error(s), 0Warning(s).
編譯器提示的data區包括了idata在內，按以往的經驗來看，data區有256個byte，程序才使用了236.2個，還剩下19個，沒有溢出，而xdata有32k，現在才使用了19k，遠沒有溢出，編譯結果一切很正常。
把代碼燒錄進芯片跑起來后，結果出人意料，從現象來看，上電約1秒后就自動重啟，重啟后過1秒又重啟，非常有規律的重啟。
我沒有懷疑是編譯器的原因，當時第一念頭是懷疑是看門狗，代碼里上電后就打開了看門狗，可能某些子程序代碼執行時間過長，看門狗復位了，于是在有懷疑的地方插入了喂狗代碼，重新編譯后再測試，依然自動重啟。于是干脆就把看門狗的代碼注釋了，不使用看門狗，以為這回沒問題了吧，結果出人意料，還是重啟。
我仔細想了一下，能造成8051的重啟的原因不多，一是看門狗引起的重啟，這點可以排除；二是某些8051支持重啟指令，我手頭上用的這款雖然支持，但我沒用過那指令，這點也可以排除；三是8051被強干擾，把取指寄存器PC的內容改變了，改成0，于是就重啟了，這點也可以排除，因為如果現場有強干擾，沒優化前也會重啟才對。
由于沒想出來是什么原因，于是開始折騰，把優化的變量一個個恢復成未恢復優化的狀態，每恢復一步就重新測試一次。終于在恢復一個16字節的數組時發現程序正常了，仔細看了一下，那數組定義在xdata區的時候程序就完全正常，而定義在idata區的時候程序就復位了，雖然奇怪的是，定義在idata區時，編譯器并沒有報告內存溢出。跟蹤匯編指令也沒發現異常，無論定義在idata還是xdata，編譯器為該數組分配的地址證明確實都是有效地址，確實沒有溢出，編譯器的安排還是正確。
雖然還沒找到根源，但問題既然是出現在內存上，我于是決定查看當那個數組指定為idata類型時的內存分配。Keil C51在編譯時會輸出一個M51文件，該文件包含了大量的內存分配信息，非常詳細，包括哪個變量被編譯器分配到哪個內存地址，占用多少個字節，哪些變量是局部變量，可以重復利用……這個M51文件里都有詳細的列表。
從列表里的變量分配地址一路看下來，都沒錯，邊看還邊驚嘆編譯器對變量的分配安排非常精確，但看到最后一個堆棧指針的安排時，終于發現問題所在了，它是這樣安排的：
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
這上面標有STACK的段就是堆棧分配，上面的數據表明，SP堆棧指針安排在F9H這個地址，堆棧空間是1個字節！表面看沒有溢出，但我的程序里使用了中斷服務，進入中斷服務時，至少需要8個字節的堆棧空間（保存R0~R7寄存器）來進行保護現場，8051使用的是遞增壓棧的設計，堆棧指針往往被安排在內存空間的后面可用部分，每壓棧一個字節，SP指針往上加1，進中斷服務時，至少壓棧8個字節，F9H+8，超出了FFH，堆棧指針不能超過FFH，也就是說堆棧溢出了！原來這就是導致程序不斷重啟的原因，不是變量內存溢出，而是堆棧溢出！
而當我把那個數組指定為xdata類型后，由于該數組不再占用idata區，于是IDATA一下子多了16個字節的可用空間，重新編譯后的M51這樣安排：
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
從這組數據來看，SP指針安排到在E9H這個地址，堆棧空間有FFH-E9H+1=23個字節，對于程序來說已經夠用，因此程序運行正常。
多次調整變量類型的編譯結果表明，C51對于堆棧空間需求大小不作計算，任何代碼都只是按堆棧空間只有1個字節需求來分配（在我眼里看來這明顯是胡來，稍復雜點的子程序調用都不可能只要1個字節就能完成現場保護），由于堆棧只能分配在data區和idata區，因此當一個程序為了優化而data區占用太多時，雖然編譯器能編譯成功，但往往SP堆棧指針被分配在data區的最后面，很容易造成堆棧空間不夠而溢出。為保險起見，最好保證編譯后的SP值安排在F0H之前，那樣至少有16個字節的堆棧空間，才能最大限度保證程序不會跑飛。
看樣子不能太相信Keil C51，以后編譯完后，還得查看一下M51才能確保程序的質量，不知道這個算不算Keil C51的bug。