Cortex-M3与Aurix的堆栈

1. TC397是一个基于ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片,其堆栈是由系统初始化代码初始化的。在ARM Cortex-M3架构中,堆栈通常由两个寄存器来管理主堆栈指针(MSP)进程堆栈指针(PSP)

        1.1 MSP是处理器的默认堆栈指针,用于保存中断处理程序的现场。当芯片复位或发生中断时,处理器会自动将MSP的值保存到堆栈中,并使用一个新的堆栈来保存中断处理程序的现场。MSP的值可以通过专门的寄存器进行读写,以便在需要时进行堆栈切换。

        1.2 PSP是用于保存应用程序现场的堆栈指针。在应用程序执行期间,PSP用于保存当前执行线程的现场。当发生中断时,处理器会自动将PSP的值保存到堆栈中,并使用MSP来保存中断处理程序的现场。PSP的值也可以通过专门的寄存器进行读写,以便在需要时进行堆栈切换。

        1.3 其实说白了就是如果你跑的是裸机程序,他用的就是一个堆栈的机制,就是只跑MSP的堆栈。但是如果你要跑操作系统,他就要用到双堆栈机制,比如程序正在顺序执行,突然产生一个中断,处理器把TASK的信息现场保存在PSP栈中,然后进入中断服务程序,中断服务程序中使用MSP栈,退出中断时从PSP栈中还原现场,返回用户程序。还有就是TASK的切换也是在PSP里切的,比如在一个时间片里TASK1没有执行完,他就会把TASK的现场保存在PSP栈中,之后执行TASK2,当TASK2执行完后,在还原PSP栈中TASK1的现场继续执行。

        1.4 堆栈是一种用于保存函数调用现场和局部变量的数据结构,它的操作是先进后出(Last-In-First-Out,LIFO)。栈帧(stack frame)是在函数调用期间在堆栈上分配的一块内存区域,用于存储函数的局部变量、参数和返回地址等信息。在函数调用过程中,每个函数都会分配一个新的栈帧,用于保存它的执行上下文。当函数返回时,栈帧被弹出堆栈,释放内存空间,并将控制权返回给调用者。所以说白了栈就是嵌入式RAM的一块连续内存空间,当程序执行时,会将相关数据压入栈中,栈指针会向下移动,分配新的内存空间。当函数执行出栈操作时,栈指针会向上移动,释放内存空间。

2. 上面说的是Cortex-M3内核的指针堆栈寄存器,但是TC397与Cortex-M3还有不同,他是有五个核,每个核都有自己的堆栈空间,它分为内核堆栈(core stack)和用户堆栈(user stack)和中断堆栈(interrupt stack)。如下图,下图没有说内核堆栈(core stack),是因为(core stack)是用于跑OS的。内核堆栈用于保存操作系统内核的执行上下文,用户堆栈用于保存应用程序的执行上下文。中断栈(interrupt stack)则是用于保存中断处理程序执行上下文的堆栈空间。上面说的3个堆栈空间,其实就是说在跑操作系统和中断的时候用的是MSP,跑任务,用的用户堆栈,也就是PSP。所谓的内核堆栈和用户堆栈是基于OS的堆栈指针的指向是根据当前处理器所处的模式(特权模式或用户权模式)来确定的。

2.1 在特权模式下,处理器可以访问所有的处理器资源和指令,包括特殊的系统寄存器、中断控制器、内存管理单元等。也就是说,在特权模式下,处理器可以访问用户模式下的堆栈。处理器可以使用PSP指针来访问用户堆栈,并读取或写入用户堆栈上的数据。

2.2 而在用户模式下,处理器只能访问受限的处理器资源和指令。用户模式下,处理器只能访问用户的数据和代码,无法访问系统的关键资源。这样可以确保用户代码不会对系统的稳定性和安全性产生影响。

也就是说内核堆栈是在特权模式下,并且用的MSP,但是他可以方访问PSP。而中断也是在特权模式下的MSP里,可以方访问PSP。用户堆栈就是在非特权模式下只能用的PSP。

        2.3 因为中断和异常处理通常需要访问操作系统内核代码和资源,而这些资源只能在特权模式下访问,所以中断堆栈必须位于特权模式下。

        2.4 中断堆栈包含了一些重要的信息,如 CPU 寄存器、程序计数器、堆栈指针等,这些信息用于在中断或异常处理完成后恢复原来的执行上下文。

        2.5 内核堆栈和用户堆栈用于保存执行上下文,中断堆栈用于保存中断处理程序的执行上下文。

Cortex-M3与Aurix的堆栈_第1张图片

除此之外还有三个寄存器,一个是SP也就是A[10],一个ISP,还有一个PSW。

        1. A[10]:这个就在GPR中,也称之为SP(Stack Pointer),与传统内核的SP类似.如下图:

Cortex-M3与Aurix的堆栈_第2张图片

        2. ISP:在CSFR中,专用于中断的Stack.进入中断后自动切换使用ISP,以防止对主任务Stack的误操作.

        3. PSW中的IS用于标记当前Stack Pointer状态. PSW.IS==0时,表示Upper Context已经报保存,A10(SP)已经装入ISP的值.当PSW.IS==1时,表示已经使用的ISP的值(比如中断嵌套),此时SP已经是ISP的值,无须再装入ISP的值.

3. 代码中的堆栈

Cortex-M3与Aurix的堆栈_第3张图片

        3.1 栈(操作系统存局部变量、函数,调用函数时会开辟栈区,函数结束时就自动回收,遵循后进先出的原则,从高地址向低地址增长。

静态内存分配:静态内存是程序编译执行后系统自动分配,由系统自动释放静态内存是栈分配的,特点:不持久。

使用静态内存分配的变量有:全局变量&静态变量

 

        3.2 堆(操作系统) malloc、realloc、calloc等开辟的内存就在堆,从低地址向高地址增长,由程序员分配和释放,系统不自动回收,所以一定要记得申请了就要释放,以免溢出。

在嵌入式系统中,使用堆内存相对于栈内存来说是比较少的。嵌入式系统通常拥有有限的内存资源,而使用堆内存可能会导致内存碎片和性能问题。在嵌入式系统中,通常会限制堆内存的大小,并且使用堆内存时需要非常小心,以确保不会出现内存泄漏或者堆溢出等问题。在某些情况下,嵌入式系统需要使用堆内存,例如当需要动态创建对象或者动态分配数组时。在这种情况下,程序员需要小心地管理堆内存,以确保不会出现内存泄漏或者堆溢出等问题。

动态内存分配:动态内存是开发者手动分配的,是堆分配的。特点:持久。

在C语言中,全局变量分配在内存中的静态存储区非静态的局部变量【动态局部变量】(包括形参)是分配在内存的动态存储区该存储区被称为栈。除此之外,c语言还允许建立内存动态分配区域,以存放一些临时用的数据,这些数据不必在程序的声明部分定义,也不必等到函数结束时才释放,而是需要时随时开辟,不需要是随时释放。这些数据临时存在一个特别的自由存储区,称为堆区

4. 如何调试

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