浅析Cortex-M系统堆栈机制

今天给大家分享的这篇依旧是 2016 年之前痞子衡写的技术文档，花了点时间重新编排了一下格式。前面痞子衡讲过 《嵌入式里的堆栈原理》，本篇算是堆栈原理的工程实践，更具体点说是在 ARM Cortex-M 上的应用。ARM Cortex-M 家族发展至今已经很多代，我们且以最简单的 Cortex-M0 为例来讲述堆栈机制：

1. 基本规则

1.1 R13 / sp 寄存器

R0-R12 为通用寄存器，R13 为系统堆栈指针 sp，堆栈指针是用于访问堆栈，也即系统的 RAM 区。Cortex-M0 中采用了两个堆栈指针：主堆栈指针（MSP）和进程堆栈指针（PSP），R13 在任何时刻只能是其中一个，默认情况为 MSP，可以通过控制寄存器（CONTORL）来改变。

MSP 是系统复位后（即其处于 Handler Mode）的指定 sp（vector table 的前 4Byte 自动载入），用于处理异常中断。当结束 Reset_Handler 后，cpu 进入正常运行状态（即其处于 Thread Mode），仅在此状态下 PSP 才能被使用，当然 MSP 也可以使用。其后如有硬中断来临，则进入 Handler Mode，如果硬件中断结束，则返回 Thread Mode。

关于 MSP 和 PSP 的选用，其是通过 CONTORL 寄存器来配置，仅在 Thread Mode 下才可设置 CONTORL 寄存器。一般情况下，没有必要使用 PSP，除非是有 os 存在时，MSP 用于 os 内核的 sp，而 PSP 用于 thread 级 app 的 sp，这两个 sp 需严格分开。
　　

在编译器中，可以通过 r13（R13）或 sp（SP）来访问堆栈（具体是 MSP 和 PSP 由当时环境决定）；也可以通过指定的 MRS、MSR 指令来访问 MSP 和 PSP。

1.2 栈结构

无 OS 的堆栈结构：

有 OS 的堆栈结构：

1.3 栈操作

Cortex-M0 中堆栈方向是向低地址方向增长，为满堆栈机制。堆栈操作是通过 PUSH 和 POP 来完成操作的。

栈一般放在 ARM 的 RAM 高位区，如某 MCU 中 RAM 地址为 0x20000000-0x20007fff，共 32KByte。栈大小设为 4KByte 的话，其地址一般就放在 0x20007000-0x20007fff，其中 0x20007000 为绝对栈顶，0x20007ffc 为绝对栈底，sp 总是指向相对栈顶。第一个 PUSH 数据被存在绝对栈底（此时绝对栈底也是相对栈顶）。实际上，除了 POP 指令可以从栈顶中取数据外；MOV 指令也可从任意位置取数据，但不会影响栈结构（即不影响其 sp）。
　　

由于 ARM 寄存器均是 32bit，故 PUSH 和 POP 指令均是 32bit 访问，故 sp 指针总是至少 4Byte 对齐（低 2bit 永远为 0）。有时编译器也会分配 8Byte 对齐的栈，这是由于 double 浮点类型需要占用 8Byte，为了处理方便，故将栈设为 8Byte 对齐。

2. 入栈顺序

入栈顺序因编译器、处理器系统、OS 而异，C 语言中并没有强制规定入栈顺序，此处主要是讲 ARM Cortex-M 系列处理器在指定编译器情况下的入栈顺序。

2.1 一般函数调用（通用）

上图展示了在一般函数（无参无局部变量无返回值）嵌套调用时，关于 sp 的操作。在执行 BL FunctionA 指令时，LR 记录的是 BL FunctionA 的下一条顺序指令，在进入 FunctionA 后执行的第一条操作便是 PUSH {LR}即将下一条顺序指令压入栈中，然后才开始执行 FunctionA 函数体。函数体执行结束之后，使用 POP {PC}指令将栈顶数据弹到 PC 中，即可返回继续执行 BL FunctionA 的下一条顺序指令。

2.2 极端函数调用（平台而异）

考虑一种极端情况来详细讲述入栈顺序，即函数含有 4 个参数以上，函数体内定义了多个局部变量，并且还有返回值。这个情况比较特殊，痞子衡专门在 IAR 上做过一次实验，详见今天次条推文(是个长图，看懂需要有一定汇编基础)：