单片机 MCU 中 stack 使用的探讨

stack 的使用，是单片机开发中影响最大，但是最少被讨论的问题。而提及这个问题的地方，都是对这个问题含糊其辞。

今天花了点时间，使用最笨的办法，直接阅读汇编代码，来对这个问题就行探究，这里做一下记录。

下面是本次实验使用的代码，代码本身没有意义，仅作探讨 stack 相关问题使用：

short c;

short g(short a) {
    short b[] = {0x03};

    short i = ;

    for(i = ; i<; i++)
    {
        b[] += b[i] + a;
    }

    if(b[] < )    g(b[]);

    return b[];
}

int main(void)
{
    c=g();
}

使用 COSMIC 针对 s12z 的编译器 cxs12z 对代码进行编译，得到的汇编如下：

 .const:    section    .text
 L3_b:
     dc.w
     ds.b
     switch    .text
 _g:
     psh    d2
     lea    s,(-,s)
 OFST:    set
     .dcall    "30,2,_g"
     lea    x,(OFST-,s)
     ld    y,#L3_b
     ld    d2,#
 L4:
     mov.l    (y+),(x+)
     dbne    d2,L4
     clr.w    (OFST-,s)
     lea    x,(OFST-,s)
     ld    d2,(OFST-,s)
 L5:
     ld    d3,(x+)
     add    d3,(OFST+,s)
     add    d2,d3
     inc.w    (OFST-,s)
     ld    d4,(OFST-,s)
     cmp    d4,#
     blt    L5
     st    d2,(OFST-,s)
     st    x,(OFST-,s)
     cmp    d2,#
     bge    L31
     jsr    _g
     .dcall    "_g:_g"
     ld    d2,(OFST-,s)
 L31:
     lea    s,(,s)
     rts
 _main:
     .dcall    "3,0,_main"
     ld    d2,#
     jsr    _g
     .dcall    "_main:_g"
     st    d2,_c
     rts
     xdef    _main
     xdef    _g
     switch    .bss
 _c:
     ds.b
     xdef    _c
     end

阅读汇编代码：

1. 第 1-5 行，存储数组 b 的初始化值到 const 区。b[0]为3，b[1]-b[9] 为 0。

2. 第 6 行，函数 g 的标签。

3. 第 41 行调用了函数 g，并使用寄存器 d2 传递 short 型参数给函数 g。根据 Compiler 的文档，调用函数时如果需要传递参数，优先使用 cpu 的 register，符合下面要求的第一个参数将被放入相应寄存器，不符合的话，会合其它参数一起，被放入 stack。参数会按从右到左的数序压入 stack。这里显然 short 是可以放入 d2 的，而且只有一个参数，没有用到 stack。

char arguments are passed in d0 and d1, short, int and short _Fract arguments are passed in d2, d3, d4 and d5, long, long _Fract and float arguments are passed in d6 and d7, double and long long arguments are passed in d6:d7,

这里需要注意，jsr 调用，本身是会将当前 PC 压入 stack 的（3 个 byte），所以，只是传递参数没有使用 stack。

4. 第 7 行，因为后面的运算可能用到 register d2，所以，先将 d2 压入 stack。

5. 第 8-9 行，s12z 的 stack 操作方式相关，直接对 s 寄存器操作，在 stacks 上为当前函数预留 25 个 bytes 使用。

6. 第 11 行，将 （OFST-25, s ）这个地址赋给 x 寄存器，事实上，也就是 b[0] 的地址。

7. 第 12-16 行，对数组 b 进行初始化。每次从 ROM 拷贝 4 个 bytes 到 stack 上，共拷贝了 5 次。

8. 第 17 行，对变量 i 进行了初始化，变量 i 地址为 (OFST-2, s).

9. 第 18 行，再次读取 b[0] 地址到 x 寄存器。

10. 第 19 行，读取 b[1] 内容到 d2 寄存器。c 代码中第二个循环有个累加操作，累加的值会被暂存在 d2 中。

11. 第 21 行，第 25-27 行的判断跳转，这中间的代码完成了 for 循环。这里是加载 b[i] 到寄存器 d3；x 寄存器从(OFST-25,s)开始自加，历遍 b[i]。

12. 第 22.行，b[i] + a

13. 第 23 行，d2 实施上存储的是 b[1] 的值。b[1] += b[i] + a

14. 第 24 行，i++

15. 第 28 行，for 循环已经结束。再保存 d2 到 b[1] 在 stack 上的存储空间；和第 19 行相反的操作。

16. 第 29 行，将地址 x （3 byte，24 位）保存到 (OFST-5, s) 开始的 stack 空间。

17. 第 30-32 行，if(b[1] < 200) g(b[1])。这里有两个分支：

• a. 当 b[1] 小于 200 时，再次用 jsr 调用函数 g。现实使用 3bytes 的 stack 空间保存了当前的 PC 值，然后进入 g 之后，重新分配了 27 bytes 给下一次调用使用！！！仍然使用 d2（b[1]）传递参数给函数 g。
• b. 当 b[1] 大于等于 200 时，跳到分支 L31 执行。第 35-37 行，释放掉本次调用占用的 stack 空间，共 27 bytes。第 37 行的 rts 返回的位置，是上一次 jsr _g 的下一行；之前申请的 stack 空间，在迭代达到最深后，随着一个个 rts，先后被释放。

18. 第 34 行，这里，函数迭代调用结束；即，当 jsr _g 的 rts 达到值后，会继续从这里执行。所以，最后一次的 b[1] 被重新赋值给 d2，通过 d2 将返回值传给 mian 函数。在第 43 行，返回值被从 d2 传输到变量 c 的 RAM 空间。

19. 第 40 行，将立即数 1 存入 d2 寄存器。

20. 第 41 行，调用函数 g。

21. 第 42 行，将返回值赋值赋值给 c。

22. 第 45-46 行，声明全局变量，供 link 使用。

23. 第 49-50 行，声明全局变量 c，大小为 2 bytes。

另外，还是用 arm-noneabi-gcc 编译了上面 C 代码，产生的汇编也是大同小异。可见，大家翻译 C 语言和翻译为汇编时，大的讨论是差不多的。

上面的代码涉及了 stack 调用情况的：

1. 函数跳转时，保存 PC 指针 3 bytes；

2. 函数内部变量，即局部变量被放在 stack 上，在这里是。

上面的代码没有涵盖的使用：

1. 使用 stack 传递参数；

2. 使用 stack 传递返回值。

3. 中断跳转和中断返回自动进行 stack 操作的情形。

此外，编译完成后，该编译器会在 map 文件中汇总分析 stack 的使用情况；在使用 arm-noneabi-gcc 时，产生的每个汇编函数都有进行 stack 使用报告。