ARM Cortex-M 的 SP
文章目录
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- 1、栈
- 2、栈操作
- 3、Cortex-M中的栈
- 4、MDK中的SP操作流程
- 5、Micro-Lib的SP差别
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- 1. 使用 Micro-Lib
- 2. 未使用 Micro-Lib
在嵌入式开发中，堆栈是一个很基础，同时也是非常重要的名词，堆栈可分为堆 (Heap) 和栈 (Stack) 。
- 栈(Stack): 一种顺序数据结构，满足后进先出（Last-In / First-Out）的原则，由编译器自动分配和释放。
- 堆(Heap)：类似于链表结构，可对任意位置进行操作，通常由程序员手动分配，使用完需及时释放(free)，不然容易造成内存泄漏。
1、栈
SP：stack pointer 栈指针，总是指向栈顶。
计算机中的堆栈主要用来保存临时数据、局部变量、存寄存器参数和中断/调用子程序程序的返回地址。
裸机中，SP 指向在系统启动文件中被设置为一个被预留大小的内存块顶部，每次调用函数，把需要的临时变化放入栈中，函数退出后，恢复为调用之前的值。
栈的作用：
- 保存现场
- 传递参数：汇编代码调用C函数时，需传递参数
- 保存临时变量：包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
2、栈操作
Cortex-M 中堆栈方向是向低地址方向增长，为满堆栈机制。栈一般放在 .bss 段之后
C语言会自动入栈出栈，所以程序员不需要关心这些（在汇编的时候加入）。汇编语言需要手工处理入栈出栈。
3、Cortex-M中的栈
在 ARM Cortex-M 中 SP 是通用寄存器，为 R13 寄存器
在 Corte-M 中采用双栈设计，分为 MSP 和 PSP。
MSP 和 PSP 的含义是 Main_Stack_Pointer 和 Process_Stack_Pointer，在逻辑地址上他们都是 R13。
权威手册上说的很清楚 PSP 主要是在 Handler 的模式下使用，MSP 主要在线程模式下使用（当然你在线程模式下也可以调用PSP，需要你做特殊的处理）
这意味着同一个逻辑地址，实际上有两个物理寄存器，一个为 MSP，一个为 PSP，在不同的工作模式调用不同的物理寄存器。在任何一个时刻只能使用一个堆栈指针，要么使用 MSP，要么使用 PSP。
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MSP：主堆栈指针，当程序复位后（开始运行后），一直到第一次任务切换完成前，使用的都是 MSP，即：
main()函数运行时用的是 MSP。 -
PSP：进程堆栈指针，切换任务之后 PendSV 服务程序中有
ORR LR, LR, #0x04这句，意思就是 PendSV 中断返回后使用的 PSP 指针，此时 PSP 已经指向了所运行任务的堆栈，所以返回后就可以就接着该任务继续运行下去了。
裸机中只会用到 MSP，当 main() 函数开始运行前，启动文件会给这个函数分配一个堆栈空间，用于保存 main() 函数运行过程中变量的保存。此时MSP就指向了该堆栈的首地址。
4、MDK中的SP操作流程
以 STM32F103C8T6 为例分析在 MDK 中 SP 相关的运行流程。其中 STM32F103C8T6 内存为 20K(0x5000)，地址：0x20000000 ~ 0x20005000。
STM32 中的启动文件 startup_stm32f10x_md.s 文件与 SP 相关部分代码：
; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack
; Tailor this value to your application needs
; Stack Configuration
; Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
;
Stack_Size EQU 0x00000400
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem SPACE Stack_Size
__initial_sp
; Heap Configuration
; Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
;
Heap_Size EQU 0x00000200
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem SPACE Heap_Size
__heap_limit
PRESERVE8
THUMB
; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY
EXPORT __Vectors
EXPORT __Vectors_End
EXPORT __Vectors_Size
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler
; External Interrupts
DCD WWDG_IRQHandler ; Window Watchdog
DCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line detect
DCD TAMPER_IRQHandler ; Tamper
DCD RTC_IRQHandler ; RTC
DCD FLASH_IRQHandler ; Flash
DCD RCC_IRQHandler ; RCC
DCD EXTI0_IRQHandler ; EXTI Line 0
DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line 1
DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line 2
DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line 3
DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line 4
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel 1
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel 2
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel 3
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel 4
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel 5
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel 6
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel 7
DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1_2
DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN1 TX
DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN1 RX0
DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1
DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 SCE
DCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line 9..5
DCD TIM1_BRK_IRQHandler ; TIM1 Break
DCD TIM1_UP_IRQHandler ; TIM1 Update
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ; TIM1 Trigger and Commutation
DCD TIM1_CC_IRQHandler ; TIM1 Capture Compare
DCD TIM2_IRQHandler ; TIM2
DCD TIM3_IRQHandler ; TIM3
DCD TIM4_IRQHandler ; TIM4
DCD I2C1_EV_IRQHandler ; I2C1 Event
DCD I2C1_ER_IRQHandler ; I2C1 Error
DCD I2C2_EV_IRQHandler ; I2C2 Event
DCD I2C2_ER_IRQHandler ; I2C2 Error
DCD SPI1_IRQHandler ; SPI1
DCD SPI2_IRQHandler ; SPI2
DCD USART1_IRQHandler ; USART1
DCD USART2_IRQHandler ; USART2
DCD USART3_IRQHandler ; USART3
DCD EXTI15_10_IRQHandler ; EXTI Line 15..10
DCD RTCAlarm_IRQHandler ; RTC Alarm through EXTI Line
DCD USBWakeUp_IRQHandler ; USB Wakeup from suspend
__Vectors_End
__Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors
AREA |.text|, CODE, READONLY
;*******************************************************************************
; User Stack and Heap initialization
;*******************************************************************************
IF :DEF:__MICROLIB
EXPORT __initial_sp
EXPORT __heap_base
EXPORT __heap_limit
ELSE
IMPORT __use_two_region_memory
EXPORT __user_initial_stackheap
__user_initial_stackheap
LDR R0, = Heap_Mem
LDR R1, =(Stack_Mem + USR_Stack_Size)
LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)
LDR R3, = Stack_Mem
BX LR
- __initial_sp：指向栈顶，在运行后会赋值给 MSP。Stack_Size：栈大小，当前分配为 0x400。
- __heap_base：堆开始地址；__heap_limit：堆结束地址；Heap_Size：堆大小，当前分配为 0x200。
- __Vectors：中断向量表入口地址，__Vectors_End：中断向量表结束地址；__Vectors_Size：中断向量表大小。
Cortex-M 采用矢量中断模式，中断向量表首地址放的是栈顶地址（__initial_sp）。
- 堆/栈初始化：导出相关变量。MDK 中，是否使用 Micro-LIB，对栈地址影响很大，下面重点讲一下。
5、Micro-Lib的SP差别
1. 使用 Micro-Lib
使用 EXPORT 伪指令分别导出 __initial_sp、__heap_base、__heap_limit，在 __main 中会处理完后跳转到 C 语言的 main() 函数。
- 查看 MAP 文件可以得到相关的地址信息：
__initial_sp 0x20000408 Data 0 startup_stm32f10x_md.o(STACK)
Execution Region RW_IRAM1 (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x08001b78, Size: 0x00000408, Max: 0x00005000, ABSOLUTE)
Exec Addr Load Addr Size Type Attr Idx E Section Name Object
0x20000000 0x08001b78 0x00000004 Data RW 212 .data main_gc9a01.o
0x20000004 0x08001b7c 0x00000004 Data RW 3332 .data mc_w.l(errno.o)
0x20000008 - 0x00000400 Zero RW 186 STACK startup_stm32f10x_md.o
注：查看上面的 MAP 文件，在使用 Micro-LIB 模式下，heap 其实是没有被分配的。
- 通过 SWD 连接芯片，查看 SP 地址
在 startup_stm32f10x_md.s 中 Reset_Handler 中第一句话，SP=0x20000408；进入 main 之后，SP=0x200003F0；进入子函数后：SP=0x200003E8。MSP 与 SP 地址一样。
- 在 main() 中通过代码打印获取以上变量
extern uint32_t __Vectors_End;
extern uint32_t __Vectors;
extern uint32_t __Vectors_Size;
printf("__Vectors: %08x\r\n", (uint32_t)&__Vectors);
printf("__Vectors_End: %08x\r\n", (uint32_t)&__Vectors_End);
printf("__Vectors_Size: %08x\r\n", (uint32_t)&__Vectors_Size);
extern uint32_t __initial_sp;
printf("__initial_sp: %08x\r\n", (uint32_t)&__initial_sp);
运行结果：
__Vectors: 0x08000000
__Vectors_End: 0x080000EC
__Vectors_Size: 0x000000EC # 59 * 4 = 0xec
__initial_sp: 0x20000408
__Vectors 的值与 __initial_sp 的值一致。
2. 未使用 Micro-Lib
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使用 IMPORT 伪指令导入
__use_two_region_memory，该函数需要用户实现。 -
使用 EXPORT 伪指令导出
__user_initial_stackheap，该函数 startup_stm32f10x_md.s 中已经实现，用于提供编译器的初始化C库函数设置用户程序的堆栈所需要的堆栈信息。
LDR R0, = Heap_Mem ;堆顶
LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size) ;栈顶
LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size) ;堆末地址
LDR R3, = Stack_Mem ;栈首地址
BX LR ;等同于mov pc, lr，跳转并切换指令集，也就是切换到ARM指令集
- 查看 MAP 文件可以得到相关的地址信息：
Execution Region RW_IRAM1 (Exec base: 0x20000000, Load base: 0x08002330, Size: 0x00000668, Max: 0x00005000, ABSOLUTE)
Exec Addr Load Addr Size Type Attr Idx E Section Name Object
0x20000000 0x08002330 0x00000004 Data RW 212 .data main_gc9a01.o
0x20000004 - 0x00000060 Zero RW 3383 .bss c_w.l(libspace.o)
0x20000064 0x08002334 0x00000004 PAD
0x20000068 - 0x00000200 Zero RW 187 HEAP startup_stm32f10x_md.o
0x20000268 - 0x00000400 Zero RW 186 STACK startup_stm32f10x_md.o
- 通过 SWD 连接芯片，查看 SP 地址
在 startup_stm32f10x_md.s 中 Reset_Handler 中第一句话，SP=0x20000668；进入 main 之后，SP=0x20000650；进入子函数后：SP=00x20000648
- __Vectors 的值与栈顶地址一致
