軟件堆棧和硬件堆棧

棧是一種具有先入后出特性的數(shù)據結構，前面說過，這種特性常常用來幫住我們“原理返回”或者“保持原樣”。試想，當我們第一次來到一個陌生的城市，走在陌生的街道上，尋找一個陌生的目標，最令我們有安全感的莫過于仔細記錄走過的每一個街道、穿過的每一個路口--這種安全感來源于潛意識里“萬一找不到目的地就原路返回”的想法。記得20世紀90年代，有一首家喻戶曉的流行歌曲《星星點燈》中曾這樣唱到“星星點燈...為迷失的孩子，照亮來時的路”。

“找到來時的路”這種想法是人們基本的求生本能，對有人類編寫的C語言編譯器來說，也是這樣--面對一層一層復雜嵌套關系的函數(shù)調用，編譯器總是試圖記錄下我們調用的過程，以便“找回回去的路”。棧就在這種場合中，得到了廣泛的應用。

C語言支持函數(shù)的調用，這完全得益于棧式分配策略的使用。所謂棧式分配，拋去復雜的技術細節(jié)，簡單說來，就是將函數(shù)內部使用的種種信息(例如，局部變量)在發(fā)生函數(shù)嵌套調用時，壓入棧中“記錄下所走過的路”。這樣，當調用的函數(shù)運行結束需要返回時，編譯器就能很容易從棧中找到“來時的路”。使用模擬的方法，我們來具體看看這一過程。

我們假設：一個函數(shù)中所有牽涉到的局部信息都被包含在一個與函數(shù)同名的接節(jié)點中。當我們在某一個函數(shù)中發(fā)生了對另外一個函數(shù)的調用，就將本函數(shù)的局部信息壓入棧中--也就是將以該函數(shù)命名的結點壓入棧中：當我們從某一函數(shù)中返回，就從棧中彈出一個結點。觀察一段代碼的函數(shù)調用情況，了解編譯器如何借助來實現(xiàn)函數(shù)的嵌套調用。

//這是一段演示用的偽代碼，包含了一些函數(shù)并設置了一些斷點便于觀察

//函數(shù)的細節(jié)已經省略，只保留了對其他函數(shù)的調用關系

//函數(shù)A

void FuncA(void)

{

//沒有任何針對其他函數(shù)的嵌套調用

/*斷點A1*/

}

//函數(shù)B

void FuncB(void)

{

...

FuncA();//調用了函數(shù)A

/*斷點B1*/

...

}

//函數(shù)C

void FuncC(void)

{

...

FuncB();//調用了函數(shù)B

/*斷點C1*/

FuncA();//調用了函數(shù)A

/*斷點C2*/

...

}

//主函數(shù)

void main(void)

{

...

/*在這里，我們設置一個程序斷點，稱為斷點1*/

FuncA();

/*斷點2*/

FuncB();

/*斷點3*/

FuncC()

/*斷點4*/

...

}

當程序運行到斷點1時，因為還沒有發(fā)生任何函數(shù)調用(我們假設測試環(huán)境中沒有使用到操作系統(tǒng)，因此不存在操作系統(tǒng)調用main函數(shù)的問題，也就是不存在將操作系統(tǒng)相關的內容壓入棧中的問題)，此時，棧是空的，如圖13-10(a)所示。

程序繼續(xù)運行，發(fā)生函數(shù)調用--FuncA(),并在其中遇到了斷點A1。因為此時發(fā)生了函數(shù)的調用，結點main被壓入棧中。此時只是一個結點，如圖13-10(b)所示。程序運行到斷點2，系統(tǒng)從函數(shù)FuncA()返回，因此，將結點main彈出，如圖13-10(c)所示。

繼續(xù)運行程序，直到再次遇到斷點A1。此時，棧中有兩個元素，從棧頂向下分別是FuncB、main。這說明，在此之前，發(fā)生了兩次調用：首先是main調用了FuncB，緊接著在FuncB中調用了FuncA，如圖13-11(a)所示。當我們遇到斷點B1時，程序已經從FuncA中返回，因此彈出了棧頂元素FuncA,如圖13-11(b)所示。經過斷點3時，結點main也被彈出，棧再次成為空棧，如圖13-11(c)所示。

當程序第三次執(zhí)行到斷點A1時，由于發(fā)生了三次函數(shù)調用，因此，棧中有三個結點FuncB,FuncA和main，如圖13-11(d)所示。再次經過斷點B1時，程序從函數(shù)FuncA中返回，因此彈出了棧頂元素FuncB,如圖13-11(e)所示。程序繼續(xù)執(zhí)行，從函數(shù)FuncB中返回遇到斷點C1時，結點FuncC被彈出，如圖13-11(f)所示。

從斷點C1向后執(zhí)行，調用函數(shù)FuncA第四次遇到斷點A1，結點FuncA再次被壓入棧中，如圖13-12(a)所示。程序從函數(shù)FuncA返回，經過斷點C2 時，彈出棧頂指針FuncA,如圖13-12(b)所示。當我們遇到斷點4時，程序已經回歸到主函數(shù)main()，棧中最后一個結點被彈出，稱為空棧，如圖13-12(c)所示。

通過上面的模擬，我們展示了C編譯器利用棧實現(xiàn)函數(shù)嵌套條用的原理。詳細情形大家可以參考編譯原理的相關內容，這里就不再深入。前面，我們知道，沒當發(fā)生一次函數(shù)調用，編譯器都要保存當前的相關信息。這一信息至少包括兩大部分：其一，用于描述程序從函數(shù)調用中返回時，返回到哪個函數(shù)位置;另一部分，用于描述與當前函數(shù)有關的一些局部信息(比方說局部變量)。在ICC中，編譯器將兩個獨立開來，分別使用兩個棧來保存。保存函數(shù)返回地址(也就是第一部分)的棧被稱為硬件棧(Hardware Stack 或者 Resturn Stack)。保存當前函數(shù)局部相關信息的棧，我們稱之為軟件堆棧(Software Stack)。

將原來完整的結點信息一分為二，究竟是出于怎樣的考慮呢?我們知道，單片機的內存容量有限(ATMeag48的SRAM僅有512個字節(jié))，不可能允許無限制的函數(shù)嵌套，必須對棧的尺寸加以限定。在正常情況下，一個結點中包含的信息總是包含定長和不定長兩個部分。其中，表示函數(shù)返回地址的部分由于指針長度固定為2個字節(jié)，因此屬于定長部分。將其單獨作為一個結點保存在硬件堆棧中，便于規(guī)定函數(shù)允許嵌套的最大深度(例如，當我們設定HW Stack的最大尺寸是16時，就表示所允許的函數(shù)嵌套深度最大為8層)。出去函數(shù)返回地址，我們將其余的變長信息統(tǒng)一放在軟件堆棧中，而這一部分的尺寸我們是無法預計的--棧究竟需要多大空間，完全取決于用戶在函數(shù)中定義了多少局部信息(比方說局部變量)及函數(shù)嵌套了多少層，因此，我們總希望能給HW Stack提供盡可能大的空間。

出于以上考慮，ICC系統(tǒng)采用硬件棧和軟件棧分開存儲的方式。編譯器要求硬件棧的大小必須在程序編譯器前由用戶給定(在ICC集成開發(fā)環(huán)境中，有Compile Option--Target選項卡的Return Stack Size選項卡來設定)，如圖13-13所示。硬件棧位于SRAM的高地址，采用向上生長的方式，大小直接受到從棧底地址開始至存儲器頂端所剩余的空間限制。這一空間大小恰好等于Return Stack所設置的數(shù)值。軟件棧與硬件棧背靠背存放，采取向下生長的方式，雖然其大小受到諸多因素的共同影響，但最大尺寸在編譯完成后也是確定的，如圖13-14所示。

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考慮到存儲器的大小的限制，我們在編寫單片機的程序時，一定要精打細算。一個程序，當系統(tǒng)中使用了大量的中斷資源，并且允許了中斷嵌套的存在，那么在極端的情況下，中斷處理程序就很容易發(fā)生嵌套現(xiàn)象。此時適當擴大硬件堆棧的大小，支持較大的函數(shù)嵌套深度，往往能解決很多莫名其妙的跑飛問題。與擁有豐富存儲器資源時的狀況不同，由于局部變量在函數(shù)發(fā)生嵌套時，都要占用軟件堆?？臻g，因此大量使用使用局部變量或者使用了占用空間頗為可觀的局部數(shù)組(也包括體積巨大的結構體)，在嵌套深度較大時，都有可能造成向下生長的軟件堆棧侵入其他存儲區(qū)域(詳細情形閱讀ICC的幫助文檔)，導致某些變量意外修改、程序跑飛等現(xiàn)象。解決這一問題的方法其實很簡單，在某些局部變量占用空間較大的情況下，將其通過關鍵static聲明為靜態(tài)變量--這樣即保證了變量的局限性，又避免了將這些內容壓入軟件棧中(靜態(tài)局部變量在存儲時和全局變量沒有本質區(qū)別，采用的都是 靜態(tài)分配)，只不過每次使用這些變量之前都要記得補充必要的初始化代碼。

編輯：admin  最后修改時間：2018-05-22