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(jù)結(jié)構(gòu)，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(dāng)我們第一次來到一個(gè)陌生的城市，走在陌生的街道上，尋找一個(gè)陌生的目標(biāo)，最令我們有安全感的莫過于仔細(xì)記錄走過的每一個(gè)街道、穿過的每一個(gè)路口--這種安全感來源于潛意識(shí)里“萬一找不到目的地就原路返回”的想法。記得20世紀(jì)90年代，有一首家喻戶曉的流行歌曲《星星點(diǎn)燈》中曾這樣唱到“星星點(diǎn)燈...為迷失的孩子，照亮來時(shí)的路”。
“找到來時(shí)的路”這種想法是人們基本的求生本能，對(duì)有人類編寫的C語言編譯器來說，也是這樣--面對(duì)一層一層復(fù)雜嵌套關(guān)系的函數(shù)調(diào)用，編譯器總是試圖記錄下我們調(diào)用的過程，以便“找回回去的路”。棧就在這種場(chǎng)合中，得到了廣泛的應(yīng)用。
C語言支持函數(shù)的調(diào)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(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)單說來，就是將函數(shù)內(nèi)部使用的種種信息(例如，局部變量)在發(fā)生函數(shù)嵌套調(diào)用時(shí)，壓入棧中“記錄下所走過的路”。這樣，當(dāng)調(diào)用的函數(shù)運(yùn)行結(jié)束需要返回時(shí)，編譯器就能很容易從棧中找到“來時(shí)的路”。使用模擬的方法，我們來具體看看這一過程。
我們假設(shè)：一個(gè)函數(shù)中所有牽涉到的局部信息都被包含在一個(gè)與函數(shù)同名的接節(jié)點(diǎn)中。當(dāng)我們?cè)谀骋粋(gè)函數(shù)中發(fā)生了對(duì)另外一個(gè)函數(shù)的調(diào)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(jié)點(diǎn)壓入棧中：當(dāng)我們從某一函數(shù)中返回，就從棧中彈出一個(gè)結(jié)點(diǎn)。觀察一段代碼的函數(shù)調(diào)用情況，了解編譯器如何借助來實(shí)現(xiàn)函數(shù)的嵌套調(diào)用。
//這是一段演示用的偽代碼，包含了一些函數(shù)并設(shè)置了一些斷點(diǎn)便于觀察
//函數(shù)的細(xì)節(jié)已經(jīng)省略，只保留了對(duì)其他函數(shù)的調(diào)用關(guān)系
//函數(shù)A
void FuncA(void)
{
//沒有任何針對(duì)其他函數(shù)的嵌套調(diào)用
/*斷點(diǎn)A1*/
}
//函數(shù)B
void FuncB(void)
{
...
FuncA();//調(diào)用了函數(shù)A
/*斷點(diǎn)B1*/
...
}
//函數(shù)C
void FuncC(void)
{
...
FuncB();//調(diào)用了函數(shù)B
/*斷點(diǎn)C1*/
FuncA();//調(diào)用了函數(shù)A
/*斷點(diǎn)C2*/
...
}
//主函數(shù)
void main(void)
{
...
/*在這里，我們?cè)O(shè)置一個(gè)程序斷點(diǎn)，稱為斷點(diǎn)1*/
FuncA();
/*斷點(diǎn)2*/
FuncB();
/*斷點(diǎn)3*/
FuncC()
/*斷點(diǎn)4*/
...
}
當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)1時(shí)，因?yàn)檫沒有發(fā)生任何函數(shù)調(diào)用(我們假設(shè)測(cè)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(diào)用main函數(shù)的問題，也就是不存在將操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容壓入棧中的問題)，此時(shí)，棧是空的，如圖13-10(a)所示。
程序繼續(xù)運(yùn)行，發(fā)生函數(shù)調(diào)用--FuncA(),并在其中遇到了斷點(diǎn)A1。因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)生了函數(shù)的調(diào)用，結(jié)點(diǎn)main被壓入棧中。此時(shí)只是一個(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖13-10(b)所示。程序運(yùn)行到斷點(diǎn)2，系統(tǒng)從函數(shù)FuncA()返回，因此，將結(jié)點(diǎn)main彈出，如圖13-10(c)所示。
繼續(xù)運(yùn)行程序，直到再次遇到斷點(diǎn)A1。此時(shí)，棧中有兩個(gè)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(diào)用：首先是main調(diào)用了FuncB，緊接著在FuncB中調(diào)用了FuncA，如圖13-11(a)所示。當(dāng)我們遇到斷點(diǎn)B1時(shí)，程序已經(jīng)從FuncA中返回，因此彈出了棧頂元素FuncA,如圖13-11(b)所示。經(jīng)過斷點(diǎn)3時(shí)，結(jié)點(diǎn)main也被彈出，棧再次成為空棧，如圖13-11(c)所示。
當(dāng)程序第三次執(zhí)行到斷點(diǎn)A1時(shí)，由于發(fā)生了三次函數(shù)調(diào)用，因此，棧中有三個(gè)結(jié)點(diǎn)FuncB,FuncA和main，如圖13-11(d)所示。再次經(jīng)過斷點(diǎn)B1時(shí)，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(diǎn)C1時(shí)，結(jié)點(diǎn)FuncC被彈出，如圖13-11(f)所示。
從斷點(diǎn)C1向后執(zhí)行，調(diào)用函數(shù)FuncA第四次遇到斷點(diǎn)A1，結(jié)點(diǎn)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(jīng)過斷點(diǎn)C2 時(shí)，彈出棧頂指針FuncA,如圖13-12(b)所示。當(dāng)我們遇到斷點(diǎn)4時(shí)，程序已經(jīng)回歸到主函數(shù)main()，棧中最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)函數(shù)嵌套條用的原理。詳細(xì)情形大家可以參考編譯原理的相關(guān)內(nèi)容，這里就不再深入。前面，我們知道，沒當(dāng)發(fā)生一次函數(shù)調(diào)用，編譯器都要保存當(dāng)前的相關(guān)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(diào)用中返回時(shí)，返回到哪個(gè)函數(shù)位置;另一部分，用于描述與當(dāng)前函數(shù)有關(guān)的一些局部信息(比方說局部變量)。在ICC中，編譯器將兩個(gè)獨(dú)立開來，分別使用兩個(gè)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(dāng)前函數(shù)局部相關(guān)信息的棧，我們稱之為軟件堆棧(Software Stack)。
將原來完整的結(jié)點(diǎn)信息一分為二，究竟是出于怎樣的考慮呢?我們知道，單片機(jī)的內(nèi)存容量有限(ATMeag48的SRAM僅有512個(gè)字節(jié))，不可能允許無限制的函數(shù)嵌套，必須對(duì)棧的尺寸加以限定。在正常情況下，一個(gè)結(jié)點(diǎn)中包含的信息總是包含定長(zhǎng)和不定長(zhǎng)兩個(gè)部分。其中，表示函數(shù)返回地址的部分由于指針長(zhǎng)度固定為2個(gè)字節(jié)，因此屬于定長(zhǎng)部分。將其單獨(dú)作為一個(gè)結(jié)點(diǎn)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(dāng)我們?cè)O(shè)定HW Stack的最大尺寸是16時(shí)，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(zhǎng)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(yù)計(jì)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(chǔ)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(xiàng)卡的Return Stack Size選項(xiàng)卡來設(shè)定)，如圖13-13所示。硬件棧位于SRAM的高地址，采用向上生長(zhǎng)的方式，大小直接受到從棧底地址開始至存儲(chǔ)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(shè)置的數(shù)值。軟件棧與硬件棧背靠背存放，采取向下生長(zhǎng)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。
考慮到存儲(chǔ)器的大小的限制，我們?cè)诰帉憜纹瑱C(jī)的程序時(shí)，一定要精打細(xì)算。一個(gè)程序，當(dāng)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(shí)適當(dāng)擴(kuò)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(chǔ)器資源時(shí)的狀況不同，由于局部變量在函數(shù)發(fā)生嵌套時(shí)，都要占用軟件堆棧空間，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(jié)構(gòu)體)，在嵌套深度較大時(shí)，都有可能造成向下生長(zhǎng)的軟件堆棧侵入其他存儲(chǔ)區(qū)域(詳細(xì)情形閱讀ICC的幫助文檔)，導(dǎo)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(shí)很簡(jiǎn)單，在某些局部變量占用空間較大的情況下，將其通過關(guān)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(nèi)容壓入軟件棧中(靜態(tài)局部變量在存儲(chǔ)時(shí)和全局變量沒有本質(zhì)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(bǔ)充必要的初始化代碼。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-22
