詳解STM32單片機的堆棧

學習STM32單片機的時候，總是能遇到“堆棧”這個概念。分享本文，希望對你理解堆棧有幫助。對于了解一點匯編編程的人，就可以知道，堆棧是內(nèi)存中一段連續(xù)的存儲區(qū)域，用來保存一些臨時數(shù)據(jù)：嵌入式開發(fā)中更接近底層的匯編與C 語言。堆棧操作由PUSH、POP兩條指令來完成。而程序內(nèi)存可以分為幾個區(qū)：

●   棧區(qū)（stack）

●   堆區(qū)（Heap）

●   全局區(qū)（static）

1   文字常亮區(qū)程序代碼區(qū)

程序編譯之后，全局變量，靜態(tài)變量已經(jīng)分配好內(nèi)存空間，在函數(shù)運行時，程序需要為局部變量分配棧空間，當中斷來時，也需要將函數(shù)指針入棧，保護現(xiàn)場，以便于中斷處理完之后再回到之前執(zhí)行的函數(shù)。

棧是從高到低分配，堆是從低到高分配。

2   普通單片機與STM32單片機中堆棧的區(qū)別

普通單片機啟動時，不需要用bootloader將代碼從ROM搬移到RAM。

但是STM32單片機需要。

這里我們可以先看看單片機程序執(zhí)行的過程，單片機執(zhí)行分三個步驟：

取指令

分析指令

執(zhí)行指令

根據(jù)PC的值從程序存儲器讀出指令，送到指令寄存器。然后分析執(zhí)行執(zhí)行。這樣單片機就從內(nèi)部程序存儲器去代碼指令，從RAM存取相關(guān)數(shù)據(jù)。

RAM取數(shù)的速度是遠高于ROM的，但是普通單片機因為本身運行頻率不高，所以從ROM取指令慢并不影響。

而STM32的CPU運行的頻率高，遠大于從ROM讀寫的速度。所以需要用bootloader 將代碼從ROM 搬移到RAM。

使用棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點菜（發(fā)出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

其實堆棧就是單片機中的一些存儲單元，這些存儲單元被指定保存一些特殊信息，比如地址（保護斷點）和數(shù)據(jù)（保護現(xiàn)場）。

如果非要給他加幾個特點的話那就是：這些存儲單元中的內(nèi)容都是程序執(zhí)行過程中被中斷打斷時，事故現(xiàn)場的一些相關(guān)參數(shù)。如果不保存這些參數(shù)，單片機執(zhí)行完中斷函數(shù)后就無法回到主程序繼續(xù)執(zhí)行了。

這些存儲單元的地址被記在了一個叫做堆棧指針（SP）的地方。

3   結(jié)合STM32 的開發(fā)講述堆棧

從上面的描述可以看得出來，在代碼中是如何占用堆和棧的。可能很多人還是無法理解，這里再結(jié)合STM32的開發(fā)過程中與堆棧相關(guān)的內(nèi)容來進行講述。

如何設(shè)置STM32的堆棧大小？

在基于MDK的啟動文件開始，有一段匯編代碼是分配堆棧大小的。

這里重點知道堆棧數(shù)值大小就行。還有一段AREA（區(qū)域），表示分配一段堆棧數(shù)據(jù)段。數(shù)值大小可以自己修改，也可以使用STM32CubeMX數(shù)值大小配置，如下圖所示。

STM32F1默認設(shè)置值0×400，也就是1K大小。

Stack_Size EQU 0×400

函數(shù)體內(nèi)局部變量：

void Fun(void){ char i; int Tmp[256]; //...}

局部變量總共占用了256*4 +1字節(jié)的棧空間。所以，在函數(shù)內(nèi)有較多局部變量時，就需要注意是否超過我們配置的堆棧大小。

函數(shù)參數(shù)：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)

這里要強調(diào)一點：傳遞指針只占4 字節(jié)，如果傳遞的是結(jié)構(gòu)體，就會占用結(jié)構(gòu)大小空間。提示：在函數(shù)嵌套，遞歸時，系統(tǒng)仍會占用棧空間。

堆（Heap）的默認設(shè)置0×200（512）字節(jié)。

Heap_Size EQU 0×200

大部分人應(yīng)該很少使用malloc 來分配堆空間。雖然堆上的數(shù)據(jù)只要程序員不釋放空間就可以一直訪問，但是，如果忘記了釋放堆內(nèi)存，那么將會造成內(nèi)存泄漏，甚至致命的潛在錯誤。

4   MDK 中RAM占用大小分析

經(jīng)常在線調(diào)試的人，可能會分析一些底層的內(nèi)容。這里結(jié)合MDK-ARM來分析一下RAM占用大小的問題。在MDK編譯之后，會有一段RAM大小信息：

這里4+6=1640，轉(zhuǎn)換成16進制就是0×668，在進行在調(diào)試時，會出現(xiàn)：

這個MSP就是主堆棧指針，一般我們復(fù)位之后指向的位置，復(fù)位指向的其實是棧頂：

而MSP指向地址0×20000668是0×20000000偏移0×668而得來。具體哪些地方占用了RAM，可以參看map文件中【Image Symbol Table】處的內(nèi)容：

（本文來源于《EEPW》202507）